[論文レビュー] Measuring Di-Higgs Physics via the $t \bar t hh o t \bar t b \bar bb\bar b$ Channel

Tao Liu, Hao Zhang|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、HL-LHCおよび100 TeV $pp$衝突機における $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ チャネルを用いた二ヒッグス物理学の測定を提案し、標準的 $pp \to hh$ チャネルとは相補的な感度を提供する。これは、再スケーリングされた三ヒッグスカップリング $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ と $t\bar{t}hh$ 生産の正の相関を利用する。HL-LHCでは2.0σ以上、100 TeV衝突機では3000 fb$^{-1}$ のデータで約5σの有意水準に達し、特に $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ の場合に顕著である。

ABSTRACT

The measurement of di-Higgs physics can provide crucial information on electroweak phase transition in the early Universe and significant clues on new physics coupling with the Higgs field directly. This measurement has been suggested to be pursued mainly via the $pp o hh$ production. In this letter, we propose a new strategy to do that, i.e., via the $pp o t \bar t hh $ production. Because of its positive correlation with the rescaled tri-Higgs coupling $\fracλ{λ_{ m SM}}$ (in comparison to a negative one for the $pp o hh$ production) in the neighborhood of $\fracλ{λ_{ m SM}} \sim 1$, the $pp o t\bar t hh$ production complements the $pp o hh$ one in measuring di-Higgs physics, particularly for $\fracλ{λ_{ m SM}}>1$, at both the High Luminosity LHC (HL-LHC) and a next-generation $pp$-collider. As an illustration, we work on the process $pp o t\bar thh o t\bar t b\bar b b\bar b$. We show that a statistical significance of $> 2.0 σ$ at the HL-LHC, comparable to that of the $pp o hh o b\bar b γγ$ channel, and a statistical significance of $\sim 5 σ$ at a 100 TeV $pp$-collider, with 3000 fb$^{-1}$ of data, are achievable in searching for the di-Higgs production with $\fracλ{λ_{ m SM}} = 1$.

研究の動機と目的

• 標準的二ヒッグスチャネル（$pp \to hh$）が、電弱ビアロジェネシスのモデルで好まれる $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ の大きな値を測定する感度が限られていることに対処する。
• 標準模型値近傍で $pp \to hh$ 戦略断面積が $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ と負の相関を示すため、$\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ の場合に感度が低下することを克服する。
• 三ヒッグスカップリング $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ と共に単調に増加する断面積を示す新しいチャネル $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ を探求し、この領域での感度向上を実現する。
• 特に $t\bar{t}hh/\Lambda$ のようなオペレーターを通じてヒッグス場に直接カップリングする新しい物理を、$t\bar{t}hh$ 生産を通じて探査可能にする。
• HL-LHCおよび100 TeV衝突機において、$b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルと同等の統計的有意水準で三ヒッグスカップリングを測定する可能性を示す。

提案手法

• $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ チャネルを、信号対バックグラウンド比を向上させるトップクォーク対最終状態を活用することで、二ヒッグス物理学の新戦略として提案する。
• $pp \to hh$ 生産とは対照的に、$t\bar{t}hh$ 生産断面積が $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ と共に単調に増加することを活用する。
• 半レプトン的およびレプトン的 $t\bar{t}$ 衰えを含む $t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 最終状態の詳細なシミュレーション分析により、信号の有意水準を推定する。
• 主要なQCDおよび $t\bar{t}b\bar{b}$ バックグラウンドを抑制するために、運動量的再構成および多次元解析技術を適用する。
• 感度を定量化するために、微分断面積 $d(\sigma/\sigma_{\rm SM})/d(\lambda/\lambda_{\rm SM})$ を用い、$\lambda/\lambda_{\rm SM}$ の増加に伴い正かつ増加する傾きを示すことを示す。
• 標準的 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルと比較し、$\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ の領域で優れた性能を示すことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ チャネルは、$\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ の領域において、二ヒッグス物理学の実用的で相補的なプローブとして有効であるか？
• RQ2 $t\bar{t}hh$ チャネルの感度は、標準的 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルと比較して、三ヒッグスカップリングを測定する上でどのように異なるか？
• RQ3 HL-LHCおよび100 TeV $pp$衝突機（3000 fb$^{-1}$）において、$pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ の統計的有意水準はどの程度達成可能か？
• RQ4 $t\bar{t}hh$ チャネルは、$pp \to hh$ チャネルが直面する $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ とバックグラウンド寄与のデゲネラシーを解消するのに役立つか？
• RQ5 $t\bar{t}hh$ チャネルは、三ヒッグスカップリングを増強するか、$t\bar{t}hh/\Lambda$ のような異常カップリングを導入する新しい物理モデルをどの程度まで探査可能か？

主な発見

• HL-LHC（3000 fb$^{-1}$）では、$pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ チャネルが2.0σ以上という有意水準に達し、$b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルと同等の性能を示す。
• 100 TeV $pp$衝突機（3000 fb$^{-1}$）では、$\lambda/\lambda_{\rm SM} = 1$ の場合に約5σの有意水準に達し、高い感度を示す。
• $t\bar{t}hh$ 生産断面積は $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ と共に増加し、$\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ の領域で感度が向上する正の相関を示す。これは、$pp \to hh$ とは対照的で、負の相関が感度低下を引き起こす。
• HL-LHCにおいて、$t\bar{t}hh$ チャネルの感度は、$\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 測定において $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ チャネルの約2倍に上回る。これは、$d(\sigma/\sigma_{\rm SM})/d(\lambda/\lambda_{\rm SM})$ の増加する導関数に起因する。
• このチャネルを用いることで、HL-LHCでは三ヒッグスカップリングの統計的精度が約150%、100 TeV衝突機では約70%に達する。これは半レプトン的 $t\bar{t}$ 衰えに基づく。
• このチャネルは、強い一次的電弱相転移を引き起こすために三ヒッグスカップリングを強化する必要があるモデルを探査する上で、既存の $pp \to hh$ および $jjhh$ チャネルとは相補的な役割を果たす。