[論文レビュー] Phenomenology of the trilinear Higgs coupling at proton-proton colliders

M. Sławińska, Wollenberg, Wouter van den+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、陽子-陽子衝突におけるグルーオン融合によるヒッグス粒子対生成を検討し、正確な一次微分行列要素計算と無限のトップクォーク質量近似（EFT）を比較する。特に √ŝ ≈ m_H 付近の運動的領域では、三重ヒッグス自己結合定数 λ₃H が二ヒッグス最終状態に顕著な影響を及ぼすことが判明し、HL-LHC や将来の 100 TeV コライダーにおける λ₃H 測定のための信号-背景分離を向上させる最適化された運動的カットを提案する。

ABSTRACT

We investigate Higgs pair production at proton-proton colliders, with emphasis on the gluon fusion channel at the HL-LHC. We study the behaviour of the leading order matrix element using exact computation of quark loops and infinite quark mass approximation. We analyse di-Higgs kinematics in search for phase space regions where the contribution of Higgs self-coupling to SM Higgs pair production is enhanced. We discuss how non-SM values of the Higgs trilinear coupling may affect the kinematics of the Higgs pair.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子コライダーにおける二ヒッグス生成における三重ヒッグス自己結合定数（λ₃H）の効果的影響を評価すること。
• クォークループの寄与を含めた、正確な一次微分行列要素計算と有効場理論（EFT）近似を比較すること。
• 標準模型の背景に対して、三重ヒッグス結合の寄与が最大になる運動的領域を同定すること。
• HL-LHCにおける b̄bγγ 最終状態の信号対背景比を向上させるための運動的カットを最適化すること。
• 将来の 100 TeV コライダーにおける λ₃H の非標準模型的値への感受性を、断面積予測を通じて評価すること。

提案手法

• クォークループを通じたグルーオン融合の正確な一次微分行列要素計算を、物理的トップクォーク質量を含めて実施し、無限のトップクォーク質量近似（EFT）と比較する。
• 行列要素を |C△F△ + C□F□|² の形で表現し、三角形図とボックス図の干渉を含めた、pp → H⁰H⁰ の部分的断面積を分析する。
• √ŝ の範囲にわたる二ヒッグスの運動的性質を評価し、特に √ŝ ≈ m_H 付近で三重ヒッグス結合の寄与が強化される領域を同定する。
• b̄bγγ 最終状態における不滅的背景を抑制するために、ΔR(γ,γ) および ΔR(b,γ) に対する最適化された運動的カットを適用し、複数のカット設定を比較する。
• Baur ら (2003gp) のカットを用い、λ₃H への感受性を向上させるように修正したカットを用いて、HL-LHC における 3000 fb⁻¹ の統合放射能に対する信号および背景イベント数を推定する。
• 100 TeV ハドロンコライダーにおけるヒッグス粒子対生成の断面積を予測し、標準模型の予測と、新物理によって λ₃H が変更された場合のシナリオを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 正確な行列要素計算と有効場理論（EFT）近似との差は、特に √ŝ ≈ 2m_t の閾値近傍でどのように現れるか？
• RQ2 部分的中心系エネルギー √ŝ のどの運動的領域で、三重ヒッグス結合（λ₃H）の二ヒッグス生成への寄与が最大になるか？
• RQ3 HL-LHC環境下で、b̄bγγ 背景から二ヒッグス信号を最適に分離するための ΔR(γ,γ) および ΔR(b,γ) の運動的カットは何か？
• RQ4 λ₃H が大幅に変化した場合（例：標準模型の10倍）に、二ヒッグスの運動的性質と信号対背景比にどのような影響が生じるか？
• RQ5 λ₃H が変更されたシナリオ下で、HL-LHC および将来の 100 TeV コライダーにおける b̄bγγ 最終状態の二ヒッグス生成の期待イベント数は何か？

主な発見

• √ŝ ≈ 2m_t では、EFT近似が完全なボックス図構造を無視しているため、正確な計算と比べて行列要素の大きさを著しく低く見積もっており、大きな差異が生じる。
• 三重ヒッグス結合の行列要素に対する相対的寄与は √ŝ ≈ m_H 付近で最大になるが、この領域における絶対的寄与は依然として小さい。
• √ŝ > 400 GeV の領域では、三重結合の寄与は行列要素において無視できるほど小さくなり、その観測可能な効果が低エネルギー部分的エネルギーに限定されることを確認する。
• ΔR(γ,γ) < 2.2 および ΔR(b,γ) > 0.4（式 16c）のカットセットが、10倍に増幅された λ₃H を検出する際に最高の有意度（43.84）を達成し、他のカット設定を上回る。
• 3000 fb⁻¹ の統合放射能下で、λ₃H = 10× SM の場合の信号イベント数は679件と推定され、最適カットにより背景は240件にまで低減される。
• 式 16c のカットを施した標準模型の信号イベント数は48件であり、信号対背景の有意度は3.08に達する。これは、HL-LHC が λ₃H の変動を高い感受性で探査可能であることを示している。