[논문 리뷰] Constraining the Higgs boson self-coupling from single- and double-Higgs production with the ATLAS detector using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2934명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전체 ATLAS Run 2 데이터셋(126–139 fb⁻¹)을 사용하여 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 단일 및 이중 힉스 보손 생성 분석을 통합하여 힉스 보손 자기상호작용을 제약한다. 이중 힉스 생성의 𝑏𝑏̄𝛾𝛾, 𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻, 𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄ 채널과 단일 힉스 생성의 γγ, 𝑍𝑍∗, 𝑊𝑊∗, 𝜏⁺𝜏⁻, 𝑏𝑏̄ 채널을 결합함으로써, 다른 결합 계수를 표준모형 값으로 고정하지 않고 자유롭게 움직일 수 있도록 허용할 경우, 힉스 자기상호작용 계수 수정자 𝜅𝜆에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약을 설정한다. 이 경우 95% 신뢰수준에서 −1.4 < 𝜅𝜆 < 6.1의 범위 외부 값은 배제된다.

ABSTRACT

Constraints on the Higgs boson self-coupling are set by combining double-Higgs boson analyses in the bb¯bb¯, bb¯τ+τ− and bb¯γγ decay channels with single-Higgs boson analyses targeting the γγ, ZZ⁎, WW⁎, τ+τ− and bb¯ decay channels. The data used in these analyses were recorded by the ATLAS detector at the LHC in proton–proton collisions at s=13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 126–139 fb−1. The combination of the double-Higgs analyses sets an upper limit of μHH&lt;2.4 at 95% confidence level on the double-Higgs production cross-section normalised to its Standard Model prediction. Combining the single-Higgs and double-Higgs analyses, with the assumption that new physics affects only the Higgs boson self-coupling (λHHH), values outside the interval −0.4&lt;κλ=(λHHH/λHHHSM)&lt;6.3 are excluded at 95% confidence level. The combined single-Higgs and double-Higgs analyses provide results with fewer assumptions, by adding in the fit more coupling modifiers introduced to account for the Higgs boson interactions with the other Standard Model particles. In this relaxed scenario, the constraint becomes −1.4&lt;κλ&lt;6.1 at 95% CL.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 전체 Run 2 데이터셋을 이용하여 직접 및 간접적 탐측을 통해 힉스 보손 자기상호작용 계수 𝜆𝐻𝐻𝐻를 제약하는 것.
• 다양한 채널에서의 단일 힉스 및 이중 힉스 생성 분석을 통합하여 감도를 향상시키는 것.
• 기타 표준모형 입자의 결합 계수 수정자를 표준모형 값으로 고정하지 않고 자유롭게 움직일 수 있도록 하여 모델 의존성을 줄이는 것.
• 표준모형 힉스 보존의 타당성을 검증하기 위해 힉스 자기상호작용의 편차와 고차항 보정에 미치는 영향을 조사하는 것.

제안 방법

• 126–139 fb⁻¹의 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 𝑏𝑏̄𝛾𝛾, 𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻, 𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄ 채널에서의 이중 힉스 생성 분석을 통합한다.
• 단일 힉스 생성의 단면적과 분해비는 단순화된 템플릿 단면적(STXS) 기반으로 γγ, 𝑍𝑍∗, 𝑊𝑊∗, 𝜏⁺𝜏⁻, 𝑏𝑏̄ 채널에서 통합한다.
• 카파 프레임워크를 사용하여 전역 피팅을 수행하며, 힉스 자기상호작용 계수 수정자 𝜅𝜆 = 𝜆𝐻𝐻𝐻 / 𝜆𝑆𝑀𝐻𝐻𝐻를 변화시키고, 다른 결합 계수 수정자(𝜅𝑡, 𝜅𝑏, 𝜅𝜏, 𝜅𝑉)는 1로 고정하거나 자유롭게 움직일 수 있도록 한다.
• 𝜅𝜆에 따라 변하는 다음차순 보정 전자약력 상호작용 보정을 피팅에 포함시켜 단일 힉스 생성 및 붕괴 확률에 영향을 미친다.
• 관측된 및 예상되는 이중 힉스 신호 강도에 대한 상한선을 유도하며, 관측된 상한선은 95% 신뢰수준에서 표준모형 예측의 2.4배이다.
• 통계적 불확실성은 정규분포를 가정하지 않은 통계적 통계량 곡선에서 추출하여 강인한 구간 추정을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 실험의 전체 Run 2 데이터셋을 사용하여 힉스 보손 자기상호작용 계수 수정자 𝜅𝜆에 대해 가장 엄격한 제약은 무엇인가요?
• RQ2 톱 쿼크, 바텀 쿼크, 타우 렙톤 및 벡터 보손의 결합 계수 수정자를 표준모형 값으로 고정하는 대신 자유롭게 움직일 수 있도록 허용할 경우, 𝜅𝜆에 대한 제약는 어떻게 변화합니까?
• RQ3 𝜅𝜆에 의해 매개되는 NLO 전자약력 보정의 간접적 영향은 힉스 자기상호작용 감도를 어느 정도 향상시킵니까?
• RQ4 𝑏𝑏̄𝛾𝛾, 𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻, 𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄ 등의 다수의 이중 힉스 붕괴 채널을 통합한 결과는 개별 채널의 상한선과 어떻게 비교됩니까?
• RQ5 자신의 자기상호작용만 변경된 것으로 가정할 때, VBF 이중 힉스 생성에서 유도된 𝑉𝑉𝐻𝐻 정점 결합 계수 수정자 𝜅²𝑉에 대한 제약는 무엇입니까?

주요 결과

• 관측된 이중 힉스 생성 단면적의 표준모형 예측에 대한 정규화된 상한선은 95% 신뢰수준에서 2.4이다.
• 단일 및 이중 힉스 분석을 통합하고 힉스 자기상호작용만 표준모형에서 벗어나는 것으로 가정할 경우, 95% 신뢰수준에서 𝜅𝜆의 값이 −0.4 < 𝜅𝜆 < 6.3 외부에 있는 것은 배제된다.
• 𝜅𝑡, 𝜅𝑏, 𝜅𝜏, 𝜅𝑉의 결합 계수 수정자를 자유롭게 움직일 경우, 𝜅𝜆에 대한 제약는 95% 신뢰수준에서 −1.4 < 𝜅𝜆 < 6.1이 되며, 이는 더 모델에 의존성이 적지만 약간 더 약한 제약이다.
• 𝑉𝑉𝐻𝐻 정점 결합 계수 수정자 𝜅²𝑉에 대한 제약는 모든 다른 힉스 결합이 표준모형 값으로 가정할 경우 95% 신뢰수준에서 0.1 < 𝜅²𝑉 < 2.0이다.
• 표준모형 가정 하에서의 예상 배제 범위는 95% 신뢰수준에서 −2.2 < 𝜅𝜆 < 7.7이며, 이는 관측된 상한선과 양호한 일치를 보인다.
• 이 연구는 전체 Run 2 데이터셋에서의 직접 및 간접 탐측을 통합하여 힉스 보손 자기상호작용에 대해 현재까지 가장 엄격한 제약를 제공한다.