[論文レビュー] Higgs Pair Production in the 2HDM: Impact of Loop Corrections to the Trilinear Higgs Couplings and Interference Effects on Experimental Limits

S. Heinemeyer, Margarete Mühlleitner+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるヒッグス粒子対（hh）の不变質量分布が、2HDMにおけるループ補正と干渉効果によってどのように歪められるかを調査している。非共鳴状態の寄与と量子補正が、mhhスペクトルの形状を顕著に変化させることを示しており、現在の実験的制限が共鳴状態信号の仮定に基づいているため、過剰に楽観的である可能性がある。これは、拡張されたヒッグス系における除外限界の再評価を必要としている。

ABSTRACT

The results obtained at the LHC for constraining the trilinear Higgs self-coupling of the detected Higgs boson at about 125 GeV, $\lambda_{hhh}$, via the Higgs pair production process have significantly improved during the last years. We investigate the impact of potentially large higher-order corrections and interference effects on the comparison between the experimental results and the theoretical predictions for the pair production of the 125 GeV Higgs boson at the LHC. We use the theoretical framework of the Two Higgs Doublet Model (2HDM), containing besides the SM-like ${\cal CP}$-even Higgs boson $h$ a second ${\cal CP}$-even Higgs boson $H$, which we assume to be heavier, $m_H > m_h$. We analyze in particular the invariant mass distribution of the two produced Higgs bosons and show that the loop corrections to the trilinear Higgs couplings $\lambda_{hhh}$ and $\lambda_{hhH}$ as well as interference contributions give rise to important effects both for the differential and the total cross section. We point out the implications for the experimental limits that can be obtained in the 2HDM for the case of the resonant production of the heavy Higgs boson $H$. We emphasize the importance of the inclusion of interference effects between resonant and non-resonant contributions in the experimental analysis for a reliable determination of exclusion bounds for a heavy resonance of an extended Higgs sector.

研究の動機と目的

• 2HDMにおけるヒッグス対生成に及ぼす高次の量子補正および干渉効果の影響を評価すること。
• これらの効果が、標準的な共鳴状態信号の仮定と比較して、ヒッグス粒子対の不变質量分布（mhh）にどのように歪みをもたらすかを評価すること。
• ATLASおよびCMSが純粋な共鳴状態寄与の仮定に基づいて導出した現在の実験的除外限界が、完全な振幅干渉を含む現実的な状況でも有効であるかどうかを特定すること。
• 拡張されたヒッグス系における信頼できる除外限界を得るため、非共鳴状態および干渉寄与を含む新しい実験的フレームワークの必要性を強調すること。

提案手法

• 理論的枠組みとして2HDMを採用し、mH > mh を満たす重いCP偶性ヒッグス粒子Hの存在を仮定する。
• ヒッグス対生成の完全な振幅を計算し、Hの交換による共鳴状態寄与、非共鳴状態のSMに類似した寄与（sチャネルh交換）、およびトップクォークループ誘導のボックス図を含める。
• 有効場理論的手法を用いて、三ヒッグス結合λhhhおよびλhhHのループ補正を含め、微分断面積および全断面積を計算する。
• 検出器分解能を再現するために、15%のスメアリングと50 GeVのエネルギー分割を用いてmhhの分布をシミュレートする。これにより、実験的解析と比較可能にする。
• ATLASおよびCMSの探索で用いられる純粋な共鳴状態信号モデルと比較するため、共鳴状態と非共鳴状態寄与の干渉項を含む完全な振幅を評価する。
• ベンチマークパラメータ点における数値解析を通じて、現実的な振幅干渉が考慮された場合に、既存の除外限界がどの程度有効であるかを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2HDMにおける三ヒッグス結合λhhhおよびλhhHのループ補正が、ヒッグス対生成の微分断面積および全断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 共鳴状態と非共鳴状態寄与の干渉効果が、純粋な共鳴状態ピーク構造と比較して、mhhの不变質量分布にどの程度歪みをもたらすか？
• RQ3 ATLASおよびCMSが純粋な共鳴状態信号モデルに基づいて導出した現在の実験的除外限界は、完全な振幅干渉が含まれる場合でも有効であるか？
• RQ4 ループ補正が含まれる場合、三角形型およびボックス型フォーム因子のキャンセルが閾値近辺でどのように微分断面積に定量的影響を与えるか？
• RQ5 現実のBSM状況における観測されたmhh分布は、支配的共鳴ピークを仮定せずに信頼性を持って解釈可能か？

主な発見

• 三ヒッグス結合λhhhおよびλhhHのループ補正を含めることで、特にhh閾値のわずか上位で、三角形型とボックス型フォーム因子の一次近似でのキャンセルが崩れるため、mhhの不变質量分布が顕著に歪む。
• 共鳴状態と非共鳴状態寄与の干渉を含む完全な振幅は、mH付近にわずかな変動を示す滑らかに低下するmhh分布をもたらすが、現在の共鳴探索で仮定されているような鋭いピークとは大きく異なる。
• 純粋な共鳴状態モデルが除外を予測するベンチマークシナリオでは、完全な振幅による分布は顕著に異なるため、既存の除外限界が過剰に楽観的である可能性がある。
• 干渉効果によるmhhスペクトルの歪みは、理想化された共鳴ピークケースと比較して、信号を解明することが著しく困難になる。
• 本研究は、純粋な共鳴状態仮定に基づく現在の実験的除外限界が、現実のBSM状況では頑健ではなく、完全な振幅が考慮された場合に実際に許容されるパラメータ点を除外してしまう可能性があることを示している。
• これらの結果は、拡張されたヒッグス系における理論と実験の信頼できる比較を保証するため、非共鳴状態および干渉寄与を含む新しい実験的フレームワークの構築が不可欠であることを示唆している。