[論文レビュー] Triple Higgs boson production at the ILC within a generic Two-Higgs-Doublet Model

Giancarlo Ferrera, Jaume Guasch+2 more|ArXiv.org|Jan 25, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、一般化された2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）における国際線形衝突装置（ILC）での3ヒッグスボソン（3H）生成を調査し、さまざまな3H最終状態の1次オーダー断面積を計算している。その結果、3H生成率は0.1 pbに達することが判明し、MSSMと比較して数個のオーダー大きく、二重ヒッグス生成と同等またはそれを上回る。これにより、特に重いクォークからの6ジェット最終状態を通じて、標準模型を超えた拡張されたヒッグス系の支配的プローブとして3H過程が顕著になる。

ABSTRACT

We present a study of triple Higgs boson (3H) production at the International Linear Collider (ILC) within the general Two-Higgs-Doublet Model (2HDM). We compute the production cross-sections at the leading-order for the 3H final states and find values up to sigma ~ 0.1 pb. This result represents a large enhancement with respect to the corresponding MSSM cross-sections, which stay typically at the level of sigma ~ 10^(-6) pb or less. Furthermore, since the 3H cross-sections in the general 2HDM can be of the order of the double Higgs production cross-sections, such 3H processes could be a competitive (if not the dominant) mechanism for Higgs boson production at the ILC. In practice, these 3H events could be identified through the tagging of 6 heavy-quark jet final states and, in this case, they would provide strong evidence of an extended Higgs boson sector -- likely of non-supersymmetric nature.

研究の動機と目的

• 一般化された2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）における国際線形衝突装置（ILC）での3ヒッグスボソン生成を調査し、標準模型を超えた拡張されたヒッグス系をプローブすること。
• 3H最終状態の1次オーダー断面積を計算し、$e^+e^- \to H^+H^-h_i$, $h_ih_iA^0$, および $h^0H^0A^0$ を含め、検出可能性を評価すること。
• 一般化2HDMにおける3H生成率とMSSMにおけるそれらを比較し、三重ヒッグス自己結合に起因する差異を強調すること。
• 3HイベントがILCにおける支配的ヒッグス生成メカニズムとなり得る可能性を評価し、特に高精度のジェットタギングが可能なクリーンな環境下での有効性を検討すること。
• 特にトップクォークからの6ジェット最終状態を観測可能なシグネチャとして特定し、非超対称的で拡張されたヒッグス系の実験的確認を図ること。

提案手法

• 本研究では、6つの自由パラメータ $M_{h^0}, M_{H^0}, M_{A^0}, M_{H^\pm}, \tan\alpha, \tan\beta$ を持つ一般化され、CPを保存する2ヒッグスダブルレットモデル（2HDM）を採用し、MSSMに類似した構造を保つために $\lambda_5 = 2\sqrt{2}\, G_F M_{A^0}^2$ を固定する。
• 標準的な計算パッケージを用いて、3H最終状態の1次オーダー断面積を計算し、運動量的カットとすべての可能な最終状態に対する位相空間積分を実施する。
• タイプIおよびタイプIIの2HDM状況を両方検討し、摂動的安定性、ユニタリティ、カスティオドル対称性（$|\delta\rho| \leq 10^{-3}$）およびB中間子の崩壊（タイプIIでは $\tan\beta \geq 1$ の場合に $M_{H^\pm} > 350$ GeV）からの制約を適用する。
• 異なるベンチマーク質量セット（I, II, III）を用いて、軽いおよび重いヒッグス領域を探索し、$\sqrt{s}$ を500 GeVから1 TeVの範囲でスキャンする。
• 3H信号は、$t\bar{t}$崩壊チェーンからの6つのハイフローラーバランスジェットのタギングにより特定され、ILCの低バックグラウンド環境下でクリアな再構成が可能になる。
• 結果は、特に $e^+e^- \to H^+H^-h^0$ および $h^0A^0h^0$ の過程において、MSSMの予測と照合され、一般化2HDMにおける増幅の顕著さが強調される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ILCにおける一般化2HDMにおける3ヒッグスボソン生成の1次オーダー断面積は何か？また、$\sqrt{s}$、$\tan\beta$、ヒッグス質量スペクトルにどのように依存するか？
• RQ2 一般化2HDMにおける3H生成率は、MSSMにおけるそれらと定量的に比較してどうなるか？特に三重ヒッグス自己結合の文脈で。
• RQ3 2HDMにおける3H最終状態は、二重ヒッグス生成や標準模型ヒッグス生成と比較して、ILCにおけるヒッグスボソン生成の競争力あるまたは支配的なメカニズムとなり得るか？
• RQ4 2HDMにおける3Hイベントの支配的シグネチャは何か？また、トップクォーク崩壊からの6ジェット最終状態を通じて、クリアに再構成可能か？
• RQ5 低エネルギーでのB中間子崩壊およびカスティオドル対称性からの制約は、タイプII 2HDMにおける3H信号の検出可能性にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 一般化2HDMにおける3ヒッグスボソン生成断面積は、ILCで最大 $\sigma \sim 0.1$ pbに達し、$\tan\beta \gtrsim 20$ または $\tan\beta < 0.1$ の場合に最適化され、MSSMと比較して顕著な増幅が見られる。
• タイプI 2HDMでは、有利なパrameter領域において最大で $\sim 1$ pbに達し、典型的なMSSMの値 $\sim 10^{-6}$ pb よりも著しく大きい。
• タイプII 2HDMでは、$M_{H^\pm} > 350$ GeV の制約のため、最大3H断面積は約10倍小さくなり $\sim 0.01$ pb に低下するが、依然として $100~\text{fb}^{-1}$ の統合したルミノシティで $O(10^3)$ 件のイベントを生成する。
• 一般化2HDMにおける3H断面積は、二重ヒッグス生成（$\sigma \sim 0.1$ pb）と同等またはそれ以上であり、3Hが支配的または競争的な生成メカニズムであることを示唆する。
• 特に $e^+e^- \to H^+H^-h^0$ および $h^0H^0A^0$ の3H最終状態は、トップクォーク崩壊からの6ジェット最終状態を通じた検出が最も有望であり、ILCのクリーンな環境下で高精度に識別可能である。
• 結果から、わずか数個のこのような3Hイベントの観測でも、非超対称的で拡張されたヒッグス系の強力な証拠が得られ、特に2HDMにおける大きな三重ヒッグス自己結合の文脈で顕著である。