[논문 리뷰] Constraints on the trilinear and quartic Higgs couplings from triple Higgs production at the LHC and beyond

Panagiotis Stylianou, G. Weiglein|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 허그스 자기결합의 삼중항(κ₃)과 4중항(κ₄)에 대한 제약 조건을 고해상도 레프톤 충돌기(HL-LHC)와 향후 렙톤 충돌기에서 삼중 허그스 보손 생성을 통해 조사한다. 신호 민감도를 향상시키기 위해 그래프 신경망을 활용하여, HL-LHC가 양자역학적 단위성 한계를 크게 초월하는 κ₃ 및 κ₄에 대한 제약 조건을 설정할 수 있음을 입증한다. 이는 κ₄에 대한 첫 번째 직접 실험적 제약 조건을 제공하며, 기존의 허그스 쌍 생성 분석을 넘어서 κ₃에 대한 더 높은 민감도를 확보한다.

ABSTRACT

Experimental information on the trilinear Higgs boson self-coupling $κ_3$ and the quartic self-coupling $κ_4$ will be crucial for gaining insight into the shape of the Higgs potential and the nature of the electroweak phase transition. While Higgs pair production processes provide access to $κ_3$, triple Higgs production processes, despite their small cross sections, will provide valuable complementary information on $κ_3$ and first experimental constraints on $κ_4$. We investigate triple Higgs boson production at the HL-LHC, employing efficient Graph Neural Network methodologies to maximise the statistical yield. We show that it will be possible to establish bounds on the variation of both couplings from the HL-LHC analyses that significantly go beyond the constraints from perturbative unitarity. We also discuss the prospects for the analysis of triple Higgs production at future high-energy lepton colliders operating at the TeV scale.

연구 동기 및 목표

• 허그스 포텐셜과 전자약력 상전이를 이해하는 데 핵심적인 삼중항(κ₃)과 4중항(κ₄) 허그스 자기결합에 대한 실험적 제약 조건을 설정하기 위해.
• 특히 6b 및 4b2τ 최종 상태에서 표준모형 예측과의 편차를 탐지하기 위해 HL-LHC의 삼중 허그스 보손 생성에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• 향후 테바 수준의 렙톤 충돌기가 HL-LHC의 해상도를 초월하여 κ₃ 및 κ₄를 추가로 제약 조건화할 잠재력을 평가하기 위해.
• 삼중 허그스 생성에서 유도된 제약 조건이 양자역학적 단위성에서 유도된 제약 조건을 초월할 수 있음을 입증하여, 분석이 새로운 물리 현상에 민감함을 보임을 나타내기 위해.

제안 방법

• 연구는 표준모형 값에서의 삼중항 및 4중항 허그스 결합의 편차를 매개변수화하기 위해 κ-프레임워크를 사용한다.
• 효과적 장 이론 연산자를 포함한 표준모형 및 브라운-스탠다드 모형(BSM) 시나리오에서의 삼중 허그스 생성에 대한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 그래프 신경망(GNNs)을 사용하여 허그스 붕괴 위상구조를 재구성하고 분류함으로써, 복잡한 다중 렙톤 및 다중 쿼크 최종 상태에서 신호 대 배경 분리 능력을 크게 향상시킨다.
• 주요 붕괴 채널에 초점을 맞추며, 6b(세 개의 허그스 보손이 b-쿼크로 붕괴) 및 4b2τ(두 개의 허그스 보손이 b-쿼크로, 한 개는 타우 렙톤으로 붕괴)를 고려한다.
• 나무 단계에서의 양자역학적 단위성 제약 조건을 계산하여 κ₃ 및 κ₄에 대한 이론적 한계를 정의하고, 실험적 민감도의 기준점으로 삼는다.
• 통계적 유의도 및 (κ₃, κ₄) 매개변수 공간에서의 기대 배제 한계를 통해 HL-LHC 및 향후 렙톤 충돌기의 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 작은 단면적을 지닌 삼중 허그스 생성을 통해 HL-LHC가 4중항 허그스 결합(κ₄)에 대한 실험적 제약 조건을 확보할 수 있는가?
• RQ2 기존의 허그스 쌍 생성 분석 대비 HL-LHC가 삼중항 허그스 결합(κ₃)에 대한 제약 조건을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 HL-LHC에서의 삼중 허그스 생성 제약 조건은 양자역학적 단위성 이론적 한계와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 향후 테바 수준의 고에너지 렙톤 충돌기가 κ₃ 및 κ₄에 대해 기대되는 민감도는 어떻게 되며, HL-LHC의 해상도를 어떻게 보완하는가?
• RQ5 그래프 신경망이 삼중 허그스 탐색의 다중 렙톤/다중 쿼크 최종 상태에서 통계적 수확량과 신호 분리 능력을 어떻게 크게 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• HL-LHC는 처음으로 4중항 허그스 결합(κ₄)에 대한 실험적 제약 조건을 설정할 수 있으며, 이는 양자역학적 단위성 한계를 초월하는 민감도를 확보한다.
• 분석 결과, HL-LHC는 양자역학적 단위성에서 유도된 한계를 초월하는 유의미한 민감도로 κ₃를 제약 조건화할 수 있음을 보여주며, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐지할 잠재력을 시사한다.
• 6b 최종 상태에서, HL-LHC는 κ₃에 대해 95% 신뢰수준에서 [−1.5, 4.5] 범위의 배제 한계를 확보할 것으로 기대되며, 이는 이전의 제약 조건보다 크게 향상된 것이다.
• 4b2τ 최종 상태에서는 κ₄에 대해 약 [−2.0, 3.0] 범위의 95% 신뢰수준 배제 한계를 확보할 수 있으며, 이는 이 결합에 대한 첫 번째 직접 실험적 제약 조건을 제공한다.
• 향후 테바 수준의 고에너지 렙톤 충돌기는 특히 큰 κ₄ 값 영역에서 κ₃ 및 κ₄에 대한 민감도를 더욱 향상시킬 것으로 기대된다.
• 그래프 신경망의 적용은 복잡한 허그스 붕괴 위상구조의 재구성 능력을 향상시켜 통계적 수확량과 민감도를 크게 증가시킨다.