[論文レビュー] Sensitivity to Triple Higgs Couplings via Di-Higgs Production in the 2HDM at the (HL-)LHC

F. Arco, S. Heinemeyer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿は、(HL-)LHCにおける2HDM型IおよびIIにおける二ヒッグス生成（gg → hh）を通じて、標準模型を越える（BSM）三ヒッグス結合への感受性、特にλhhHについて検討する。NLO計算をHPAIRを用いて実施し、mhhの不変質量分布を分析することで、HL-LHCが共鳴的H交換効果を検出可能であり、実験的不確実性が存在する中でもλhhHへの一次的感度を達成できることが示された。特に、干渉構造（ピーク・ディップ）が解像可能な場合に顕著である。

ABSTRACT

An important task of the LHC is the investigation of the Higgs-boson sector. Of particular interest is the reconstruction of the Higgs potential, i.e. the measurement of the Higgs self-couplings. Based on previous analyses, within the 2HDMs type~I and~II, we analyze several two-dimensional benchmark planes that are over large parts in agreement with all theoretical and experimental constraints. For these planes we evaluate di-Higgs production cross sections at the (HL-)LHC with a center-of-mass energy of 13 TeV at NLO in the heavy top-quark limit with the code HPAIR. We investige in particular the process $gg o hh$, with $h$ being the Higgs boson discovered at the LHC with a mass of about 125 GeV. The top box diagram of the loop-mediated gluon fusion process into Higgs pairs interferes with the $s$-channel exchange of the two CP-even 2HDM Higgs bosons $h$ and $H$ involving the trilinear couplings $\lambda_{hhh}$ and $\lambda_{hhH}$, respectively. Depending on the size of the involved top-Yukawa and triple Higgs couplings as well as on the mass of $H$, the contribution of the $s$-channel $H$~diagram can be dominating or be highly suppressed. We find regions of the allowed parameter space in which the di-Higgs production cross section can differ by many standard deviations from its SM prediction, indicating possible access to deviations in $\lambda_{hhh}$ from the SM value $\lambda_{ m SM}$ and/or contributions involving $\lambda_{hhH}$. The sensitivity to $\lambda_{hhH}$ is further analyzed employing the $m_{hh}$ distributions. We demonstrate how a possible measurement of $\lambda_{hhH}$ depends on the various experimenal uncertainties. Depending on the underlying parameter space, the HL-LHC may have the option not only to detect beyond-the-Standard-Model triple Higgs couplings, but also to provide a first rough measurement of their sizes.

研究の動機と目的

• 2HDM型IおよびIIにおけるHL-LHCがBSM三ヒッグス結合λhhHにどの程度感受性を持つかを評価すること。
• HPAIRコードを用いた重いトップクォーク近似下でのNLOにおける二ヒッグス生成断面積を評価すること。
• mhh不変質量分布を用いて、共鳴的sチャンネルH交換と非共鳴的三角形／ボックス図の干渉が、どのように区別可能かを調査すること。
• 検出器のエネルギー分解能、ビンサイズ、実験的不確実性がmhhスペクトルにおける干渉効果の検出可能性に与える影響を定量化すること。
• HL-LHCが標準模型を越えるλhhHを最初に観測または概算的に測定可能なパラメータ空間の領域を特定すること。

提案手法

• 重いトップクォーク近似下で、HPAIRコードを用いた2HDM型IおよびIIにおける二ヒッグス生成断面積のNLO QCD計算。
• 共鳴的sチャンネルH交換と非共鳴的三角形／ボックス図の干渉効果を調べるため、mhh不変質量分布の分析。
• 符号依存の干渉構造（ピーク・ディップまたはディップ・ピーク）がmhh = mHで現れるかを調査するためのトイモデルの使用、符号は(λhhH × ξtH)に依存。
• 実験的不確実性の系統的変動：検出器分解能のスメアリング（15%および10%）、ビンサイズ（10–50 GeV）、ビン位置を変化させ、信号のロバストネスを評価。
• 実験的精度推定に依存しないλhhHへの感受性を定量化するための相対的感受性変数Rの定義。
• 理論的および実験的制約（特にアライメント限界に近い状態：cβ−α ∼0.1–0.2）を満たす2HDMパラメータ空間のベンチマーク平面の選定。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HL-LHCは、2HDMにおける二ヒッグス生成を通じて、λhhHの標準模型からのずれを検出可能か？
• RQ2 mhh分布における干渉構造（ピーク・ディップまたはディップ・ピーク）は、λhhHの存在および符号をどの程度明らかにできるか？
• RQ3 検出器分解能およびビニングの影響は、mhh分布における干渉特徴の可視性にどのように作用するか？
• RQ4 大規模な二ヒッグス断面積領域またはアライメント限界付近のパラメータ空間領域において、HL-LHCはλhhHにどの程度感受性を持つか？
• RQ5 完全な実験的再構成がなくても、HL-LHCはλhhHの大きさを一次的に測定可能か？

主な発見

• HL-LHCは、二ヒッグス生成における共鳴的sチャンネルH交換を通じて、BSM三ヒッグス結合λhhHを検出可能であり、特にmhh分布における干渉構造が解像可能な場合に顕著である。
• 共鳴的H交換と非共鳴的図の干渉項により、mhh分布にピーク・ディップまたはディップ・ピークの構造が現れ、その符号は(λhhH × ξtH)の符号に依存する。ただし、Hの全幅が大きくなると構造が曇る。
• 検出器分解能のスメアリング（15%）によりピーク・ディップ構造のディップ部分の可視性が低下するが、ボトムアップの特徴は依然として支配的であり、信号の部分的ロバストネスを示している。
• ビニング効果は、粗いビン（50 GeV）であっても感受性指標Rにほとんど影響を与えないため、一般的なジェット質量分解能の制限に対しても信号が頑健であることが示唆される。
• 実験的不確実性を組み込むと、mhh分布からは(λhhH × ξtH)の符号を特定できず、λhhHの符号を抽出する能力が制限される。
• 好都合なパラメータ領域では、HL-LHCはλhhHへの一次的感度を達成可能であり、その大きさの概算測定が可能となる。これは、BSMモデルにおけるヒッグスポテンシャルの再構築にとって極めて重要である。