[논문 리뷰] Measuring Di-Higgs Physics via the $t \bar t hh o t \bar t b \bar bb\bar b$ Channel

Tao Liu, Hao Zhang|arXiv (Cornell University)|2014. 10. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 HL-LHC와 100 TeV $pp$-충돌기에서 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 채널을 통해 이중 힉스 물리학을 측정하는 것을 제안하며, 재조정된 삼중 힉스 결합 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$와의 양의 상관관계를 이용해 표준 $pp \to hh$ 채널과 보완적인 감도를 제공한다. HL-LHC에서 >2.0σ의 유의수준을 달성하고, 3000 fb$^{-1}$의 데이터로 100 TeV 충돌기에서는 약 ~5σ를 기록하며, 특히 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$인 경우에 매우 효과적이다.

ABSTRACT

The measurement of di-Higgs physics can provide crucial information on electroweak phase transition in the early Universe and significant clues on new physics coupling with the Higgs field directly. This measurement has been suggested to be pursued mainly via the $pp o hh$ production. In this letter, we propose a new strategy to do that, i.e., via the $pp o t \bar t hh $ production. Because of its positive correlation with the rescaled tri-Higgs coupling $\fracλ{λ_{ m SM}}$ (in comparison to a negative one for the $pp o hh$ production) in the neighborhood of $\fracλ{λ_{ m SM}} \sim 1$, the $pp o t\bar t hh$ production complements the $pp o hh$ one in measuring di-Higgs physics, particularly for $\fracλ{λ_{ m SM}}>1$, at both the High Luminosity LHC (HL-LHC) and a next-generation $pp$-collider. As an illustration, we work on the process $pp o t\bar thh o t\bar t b\bar b b\bar b$. We show that a statistical significance of $> 2.0 σ$ at the HL-LHC, comparable to that of the $pp o hh o b\bar b γγ$ channel, and a statistical significance of $\sim 5 σ$ at a 100 TeV $pp$-collider, with 3000 fb$^{-1}$ of data, are achievable in searching for the di-Higgs production with $\fracλ{λ_{ m SM}} = 1$.

연구 동기 및 목표

• 표준 이중 힉스 채널($pp \to hh$)이 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$인 큰 값을 탐색하는 데 제한된 감도를 보이는 문제를 해결하기 위해, 전자약력 대칭 붕괴 모델에서 선호되는 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$의 경우를 효과적으로 탐지하고자 한다.
• 표준 모델 값 근처에서 $pp \to hh$ 횡단단면이 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$와 음의 상관관계를 보여 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$인 경우 감도가 저하되는 문제를 해결하고자 한다.
• 산란단면이 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 증가에 따라 단조롭게 증가하는 새로운 채널인 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$를 탐색하여, 이 영역에서 감도를 향상시키고자 한다.
• 특히 $t\bar{t}hh/\Lambda$와 같은 연산자를 통해 힉스 필드에 직접 결합하는 새로운 물리학을 탐지할 수 있는 보완적 탐지 수단을 제공하고자 한다.
• HL-LHC와 100 TeV 충돌기에서 $b\bar{b}\gamma\gamma$ 채널과 유사한 통계적 유의수준으로 삼중 힉스 결합을 측정할 수 있음을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 이중 힉스 물리학의 새로운 전략으로 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 채널을 제안하며, 신호 대 배경 비율을 향상시키기 위해 토프 쿼크 쌍 최종 상태를 활용한다.
• $pp \to t\bar{t}hh$ 생산 횡단면이 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 증가에 따라 단조롭게 증가하는 사실을 활용하여, $pp \to hh$ 생산과는 대조적으로 음의 의존성을 가지는 특성을 활용한다.
• 반드시 반경량 및 레프톤적 $t\bar{t}$ 붕괴를 포함한 $t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 최종 상태에 대한 세밀한 시뮬레이션 기반 분석을 수행하여, 신호의 통계적 유의수준을 추정한다.
• 운동량 재구성 및 다변량 분석 기법을 적용하여 주로 QCD 및 $t\bar{t}b\bar{b}$ 배경를 억제한다.
• 감도를 정량화하기 위해 미분 횡단면 $d(\sigma/\sigma_{\rm SM})/d(\lambda/\lambda_{\rm SM})$를 사용하며, $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 증가에 따라 $t\bar{t}hh$의 양의 기울기를 보여준다.
• 표준 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 채널과의 감도 비교를 수행하여, $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 영역에서 향상된 성능을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 채널이 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 영역에서 유의미하고 보완적인 이중 힉스 물리학 탐지 수단이 될 수 있는가?
• RQ2 $t\bar{t}hh$ 채널의 감도가 표준 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 채널과 비교해 삼중 힉스 결합을 측정하는 데 어떻게 다를까?
• RQ3 HL-LHC와 100 TeV $pp$-충돌기에서 3000 fb$^{-1}$ 데이터로 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$의 통계적 유의수준은 어느 정도인가?
• RQ4 $t\bar{t}hh$ 채널이 $pp \to hh$ 채널에서 발생하는 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$와 배경 기여도 간의 딜레마를 해결하는 데 기여할 수 있는가?
• RQ5 $t\bar{t}hh$ 채널을 통해 삼중 힉스 결합을 강화하거나 $t\bar{t}hh/\Lambda$와 같은 비정상 결합을 도입하는 새로운 물리학 모델을 어느 정도 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 채널은 3000 fb$^{-1}$ 데이터로 HL-LHC에서 >2.0σ의 통계적 유의수준을 달성하며, $b\bar{b}\gamma\gamma$ 채널과 유사한 감도를 보인다.
• 100 TeV $pp$-충돌기에서 3000 fb$^{-1}$ 데이터로 $\lambda/\lambda_{\rm SM} = 1$일 때 약 ~5σ의 유의수준을 기록하여 매우 높은 감도를 입증한다.
• $t\bar{t}hh$ 생산 횡단면은 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 증가에 따라 증가하며, $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 영역에서 감도 향상을 위한 양의 상관관계를 제공한다. 이는 $pp \to hh$ 채널의 음의 상관관계와 대조된다.
• HL-LHC에서 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 측정에 있어 $t\bar{t}hh$ 채널의 감도는 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 채널보다 약 두 배 높으며, 이는 $d(\sigma/\sigma_{\rm SM})/d(\lambda/\lambda_{\rm SM})$의 증가 기울기 덕분이다.
• 이 채널을 통해 반경량 $t\bar{t}$ 붕괴 기반으로 HL-LHC에서 삼중 힉스 결합을 약 150%의 통계 정확도로 측정할 수 있고, 100 TeV 충돌기에서는 약 70%의 정확도로 측정 가능하다.
• 이 채널은 기존의 $pp \to hh$ 및 $jjhh$ 채널에 중요한 보완이 되며, 강한 1차 전이를 유도하기 위해 삼중 힉스 결합을 강화할 필요가 있는 모델 탐지에 특히 유용하다.