[논문 리뷰] An Exploratory study of Higgs-boson pair production

Chih-Ting Lu, Jung Chang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 LHC와 향후 100 TeV pp 충돌기에서 힉스 보손 쌍 생성을 조사하며, $\gamma\gamma b\bar{b}$ 붕괴 모드에서의 각도 상관관계를 이용해 삼중 힉스 자기상호작용 촉매와 토프 쿼크 요카와 및 dim-5 $ttHH$ 접촉 상호작용을 분리하는 데 초점을 맞춘다. 주요 결과는 횡단단면 측정의 불확도가 25% 미만일 경우, 비제로 삼중 상호작용 촉매를 통계적으로 감지할 수 있으며, 표준모형 유사 횡단단면에서 민감도가 $0.3 \lesssim |\lambda_{3H}| \lesssim 2.6$에 이르게 된다.

ABSTRACT

Higgs-boson pair production is well known being capable to probe the trilinear self-coupling of the Higgs boson, which is one of the important ingredients of the Higgs sector itself. Pair production then depends on the top-quark Yukawa coupling $g_t^{S,P}$, Higgs trilinear coupling $λ_{3H}$, and a possible dim-5 contact-type $ttHH$ coupling $g_{tt}^{S,P}$, which may appear in some higher representations of the Higgs sector. We take into account the possibility that the top-Yukawa and the $ttHH$ couplings involved can be CP violating. We calculate the cross sections and the interference terms as coefficients of the square or the 4th power of each coupling $(g_t^{S,P}, λ_{3H}, g_{tt}^{S,P})$ at various stages of cuts, such that the desired cross section under various cuts can be obtained by simply inputing the couplings. We employ the $H H o γγb \bar b$ decay mode of the Higgs-boson pair to investigate the possibility of disentangle the triangle diagram from the box digram so as to have a clean probe of the trilinear coupling at the LHC. We found that the angular separation between the $b$ and $\bar b$ and that between the two photons is useful. We obtain the sensitivity reach of each pair of couplings at the 14 TeV LHC and the future 100 TeV pp machine. Finally, we also comment on using the $b\bar b τ^+ τ^-$ decay mode in Appendix.

연구 동기 및 목표

• 측정되지 않은 힉스 섹터의 핵심 특징인 힉스 삼중 자기상호작용 촉매 $\lambda_{3H}$ 를 탐색하기 위해.
• 힉스 쌍 생성에서 삼각형(힉스 자기상호작용)과 상자(요카만의) 도형 기여를 분리하기 위해.
• 14 TeV LHC와 향후 100 TeV pp 기계가 $\lambda_{3H}$, 토프-요카, $ttHH$ 상호작용에 대해 보이는 민감도를 평가하기 위해, CP 위반 성분을 포함하여.
• $\gamma\gamma b\bar{b}$ 및 $\tau^+\tau^- b\bar{b}$ 붕괴 모드가 힉스 쌍 생성에서의 새로운 물리 현상을 탐색하는 데 얼마나 유용한지 평가하기 위해.

제안 방법

• CP-홀드 성분이 포함된 힉스 삼중 상호작용 촉매 $\lambda_{3H}$, 토프 쿼크 요카 상호작용 $g_t^{S,P}$, 및 dim-5 $ttHH$ 접촉 상호작용 $g_{tt}^{S,P}$ 를 모델링하기 위해 효과적 라그랑지안 접근법을 사용한다.
• 각 상호작용의 제곱 또는 네제곱 계수로서 횡단단면과 간섭항을 계산하여, 다양한 절단 조건 하에서 횡단단면 예측이 가능하도록 한다.
• $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 붕괴 모드를 사용하여 에너지 의존성의 차이를 이용해 삼각형 도형 기여를 각도 분리 변수 $\Delta R_{\gamma\gamma}$ 와 $\Delta R_{bb}$ 를 통해 분리한다. 이는 고에너지에서 상자 도형 기여를 억제한다.
• 신호 사건을 모델링하고 운동량 분포를 추출하기 위해 MADGRAPH v5 를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 관측 가능한 질량 $M_{\gamma\gamma b\bar{b}}$ 와 각도 상관관계를 분석하여 삼각형 및 상자 도형의 기여를 구분한다.
• 실제 절단 조건과 불확도를 고려하여 신호 강도를 표준모형 예측과 비교함으로써, 14 TeV LHC 및 100 TeV pp 기계에서의 민감도 도달 범위를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 힉스 쌍 생성에서 삼중 힉스 자기상호작용 촉매 $\lambda_{3H}$ 는 토프 쿼크 요카 및 $ttHH$ 접촉 상호작용과 분리될 수 있는가?
• RQ2 $\Delta R_{\gamma\gamma}$ 와 $\Delta R_{bb}$ 의 각도 분리는 삼각형 도형 기여를 상자 도형에서 효과적으로 분리하는가?
• RQ3 측정 불확도가 25% 이하일 경우, 14 TeV LHC 및 100 TeV pp 충돌기에서 $\lambda_{3H}$ 의 민감도 도달 범위는 어떠한가?
• RQ4 토프-요카 및 $ttHH$ 상호작용에 CP-홀드 성분이 존재할 경우 신호의 관측 가능성은 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 $\tau^+\tau^- b\bar{b}$ 붕괴 모드는 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 와 비교해 힉스 자기상호작용을 탐색하는 데 실용적인 대안이 될 수 있는가?

주요 결과

• 힉스 쌍의 붕괴 생성물 간의 각도 분리 변수인 $\Delta R_{\gamma\gamma}$ 와 $\Delta R_{bb}$ 는 에너지 의존성의 차이 덕분에 $s$-채널 힉스 보손 보편자가 포함된 삼각형 도형과 상자 도형을 효과적으로 분리한다.
• 14 TeV LHC에서 $\Delta R_{\gamma\gamma} > 2$ 영역에서는 삼각형 대 상자 기여 비율이 약 1:2.8이며, 100 TeV에서 이 비율은 1:3.7로 증가하여 고에너지에서 삼각형 도형의 억제가 확인된다.
• 횡단단면 측정 불확도가 25% 미만일 경우, 비제로 삼중 상호작용 촉매 $\lambda_{3H}$ 는 통계적으로 감지 가능하며, $\sigma / \sigma_{\rm SM} = 1$ 일 때 민감도 도메인은 $0.3 \lesssim |\lambda_{3H}| \lesssim 2.6$ 에 이르게 된다.
• dim-5 연산자에서 기인한 $ttHH$ 접촉 상호작용은 $\sqrt{\hat{s}} \sim 17.6 / g_{tt}^{S}$ TeV 에서 유니타리성을 위반하므로, 고형량 질량에서 지배적일 가능성이 있음을 시사한다.
• 상호작용 계수가 표준모형 값에서 크게 벗어날 경우 횡단단면은 수십 배까지 증가할 수 있다. 예를 들어, 특정 상호작용 구성에서 $\lambda_{3H} > 9$ 또는 $\lambda_{3H} < -4$ 일 경우 $\sigma / \sigma_{\rm SM} > 10$ 가 될 수 있다.
• $\tau^+\tau^- b\bar{b}$ 붕괴 모드는 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 보다 더 큰 붕괴 분율을 가지지만, $\tau$ 식별 및 운동량 해상도 비효율성을 고려한 후 이벤트 수준에서는 유사한 수준에 이르게 된다.