[논문 리뷰] Higgs Pair Production in the 2HDM: Impact of Loop Corrections to the Trilinear Higgs Couplings and Interference Effects on Experimental Limits

S. Heinemeyer, Margarete Mühlleitner외 2명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 힉스 보손 쌍(hh)의 인variant 질량 분포에 대해 두 힉스 듀블릿 모형(2HDM)에서의 루프 보정과 간섭 효과가 어떻게 왜곡되는지 조사한다. 비공명 기여와 양자 보정이 mhh 스펙트럼의 형태를 상당히 변화시킴을 보여주며, 현재의 실험적 제한이 순수 공명 신호 가정에 기반하여 과도하게 낙관적인 경우가 있을 수 있음을 시사한다. 따라서 확장된 힉스 섹터에서 배제 한계를 재평가할 필요가 있다.

ABSTRACT

The results obtained at the LHC for constraining the trilinear Higgs self-coupling of the detected Higgs boson at about 125 GeV, $\lambda_{hhh}$, via the Higgs pair production process have significantly improved during the last years. We investigate the impact of potentially large higher-order corrections and interference effects on the comparison between the experimental results and the theoretical predictions for the pair production of the 125 GeV Higgs boson at the LHC. We use the theoretical framework of the Two Higgs Doublet Model (2HDM), containing besides the SM-like ${\cal CP}$-even Higgs boson $h$ a second ${\cal CP}$-even Higgs boson $H$, which we assume to be heavier, $m_H > m_h$. We analyze in particular the invariant mass distribution of the two produced Higgs bosons and show that the loop corrections to the trilinear Higgs couplings $\lambda_{hhh}$ and $\lambda_{hhH}$ as well as interference contributions give rise to important effects both for the differential and the total cross section. We point out the implications for the experimental limits that can be obtained in the 2HDM for the case of the resonant production of the heavy Higgs boson $H$. We emphasize the importance of the inclusion of interference effects between resonant and non-resonant contributions in the experimental analysis for a reliable determination of exclusion bounds for a heavy resonance of an extended Higgs sector.

연구 동기 및 목표

• 두 힉스 듀블릿 모형(2HDM)에서 Higgs 쌍 생성에 대한 고차항 양자 보정과 간섭 효과의 영향을 평가하기 위해.
• 이러한 효과들이 순수 공명 신호 가정과 비교하여 Higgs 보손 쌍의 인variant 질량 분포(mhh)에 어떻게 왜곡되는지 평가하기 위해.
• ATLAS와 CMS에서 순수 공명 기여 가정 하에 유도된 현재의 실험적 제한이, 전체 진폭 간섭이 포함된 현실적인 상황에서도 여전히 유효한지 판단하기 위해.
• 확장된 힉스 섹터에서 신뢰할 수 있는 배제 한계를 확보하기 위해 비공명 및 간섭 기여를 포함한 새로운 실험적 프레임워크의 필요성을 부각하기 위해.

제안 방법

• 이 연구는 이론적 프레임워크로 두 힉스 듀블릿 모형(2HDM)을 사용하며, mH > mh 조건을 만족하는 무거운 CP-짝성 힉스 보손 H를 가정한다.
• H 쌍 생성의 전체 진폭을 계산하며, H 교환에 의한 공명 기여, 비공명 SM 유사 기여(s-채널 h 교환), 그리고 토프 쿼크 루프 유도 상자 다이어그램을 포함한다.
• 효과적 장 이론 기법을 사용하여 삼중 힉스 쿠퍼링 λhhh와 λhhH의 루프 보정을 포함하여 미분 및 총 단면적을 계산한다.
• 검출기 해상도를 모의하기 위해 mhh는 15% 스메어링과 50 GeV의 빈 칸을 사용하여 시뮬레이션되며, 실험 분석과의 비교를 가능하게 한다.
• ATLAS와 CMS 검색에서 사용된 순수 공명 신호 모델과 비교하기 위해, 공명 및 비공명 기여 간의 간섭 항을 포함한 전체 진폭을 분석한다.
• 실제 진폭 간섭이 고려된 벤치마크 파라미터 포인트에서 수치 분석을 수행하여 기존 배제 한계의 타당성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2HDM에서 삼중 힉스 쿠퍼링 λhhh와 λhhH의 루프 보정은 Higgs 쌍 생성의 미분 및 총 단면적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 공명 및 비공명 기여 간의 간섭 효과는 순수 공명 피크 구조와 비교하여 mhh 인variant 질량 분포에 얼마나 큰 왜곡을 초래하는가?
• RQ3 ATLAS와 CMS에서 순수 공명 신호 모델에 기반한 현재의 실험적 배제 한계는 전체 진폭 간섭이 포함된 경우에도 여전히 유효한가?
• RQ4 루프 보정이 포함된 경우, 삼각형 및 상자 형상 인자 간의 상쇄 작용이 임계점에서 미분 단면적에 미치는 정량적 영향은 무엇인가?
• RQ5 실제 BSM 시나리오에서 관측된 mhh 분포는 주로 공명 피크를 가정하지 않고도 신뢰할 만하게 해석할 수 있는가?

주요 결과

• 삼중 힉스 쿠퍼링의 루프 보정을 포함함으로써, 특히 hh 임계점 바로 위에서 삼각형 및 상자 형상 인자 간의 주로 계산된 상쇄 작용이 붕괴되면서 mhh 인variant 질량 분포가 상당히 왜곡된다.
• 공명 및 비공명 기여 간의 간섭을 포함한 전체 진폭은 순수 공명 신호 가정에서의 날카운 피크가 아닌, mH 근처에서 작은 변동만을 보이는 부드럽게 감소하는 mhh 분포를 초래한다.
• 순수 공명 모델이 배제를 예측하는 밴치마크 시나리오에서는 전체 진폭이 상당히 다른 분포를 초래하며, 이는 기존 제한이 과도하게 낙관적일 수 있음을 시사한다.
• 간섭 효과로 인한 mhh 스펙트럼의 왜곡은 이상적인 공명 피크 경우에 비해 신호를 식별하는 데 상당히 어려움을 초래한다.
• 본 연구는 현재 순수 공명 가정 하에 도출된 실험적 제한이 현실적인 BSM 시나리오에서는 신뢰할 수 없으며, 전체 진폭을 고려할 경우 실제로 허용되는 매개변수 포인트를 배제할 수 있음을 입증한다.
• 결과적으로, 확장된 힉스 섹터에서 이론과 실험 간의 신뢰할 수 있는 비교를 보장하기 위해 비공명 및 간섭 기여를 포함한 새로운 실험적 프레임워크의 필요성을 제기한다.