[논문 리뷰] Phenomenology of the trilinear Higgs coupling at proton-proton colliders

M. Sławińska, Wollenberg, Wouter van den외 2명|arXiv (Cornell University)|2014. 08. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 28인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 양성자-양성자 충돌기에서 글루온 융합를 통한 힉스 보손 쌍 생성을 조사하며, 정확한 최초차수 행렬원소 계산과 무한한 토큰 쿼크 질량 근사법(EFT)을 비교한다. √ŝ ≈ m_H 근처의 운동역학적 영역에서 삼중 힉스 자기결합 상수가 이중 힉스 최종 상태에 크게 영향을 미치는 것을 밝혀내며, 향후 100 테바볼트 충돌기와 HL-LHC에서 λ₃H 측정을 위한 신호-배경 분리 향상을 위한 최적의 운동역학적 컷을 제안한다.

ABSTRACT

We investigate Higgs pair production at proton-proton colliders, with emphasis on the gluon fusion channel at the HL-LHC. We study the behaviour of the leading order matrix element using exact computation of quark loops and infinite quark mass approximation. We analyse di-Higgs kinematics in search for phase space regions where the contribution of Higgs self-coupling to SM Higgs pair production is enhanced. We discuss how non-SM values of the Higgs trilinear coupling may affect the kinematics of the Higgs pair.

연구 동기 및 목표

• 양성자-양성자 충돌기에서의 힉스 쌍 생성에 있어 삼중 힉스 자기결합 상수(λ₃H)의 현상학적 영향을 평가하는 것.
• 쿼크 루프 기여의 맥락에서 정확한 최초차수 행렬원소 계산과 효과적 장이론(EFT) 근사법을 비교하는 것.
• 표준모형 배경에 비해 삼중 힉스 자기결합 상수가 이중 힉스 생성에 기여하는 것이 최대가 되는 운동역학적 영역을 규명하는 것.
• HL-LHC에서 b̄bγγ 최종 상태의 신호 대 배경 비율 향상을 위한 운동역학적 컷을 최적화하는 것.
• 미래의 100 테바볼트 충돌기에서 λ₃H의 비표준모형 값에 대한 감도를 획득하기 위해 단면적 예측을 평가하는 것.

제안 방법

• 쿼크 루프를 통한 글루온 융합에 대한 정확한 최초차수 행렬원소 계산을 사용하며, 물리적 토큰 쿼크 질량을 포함하고, 이를 무한한 토큰 쿼크 질량 근사법(EFT)과 비교한다.
• 삼각형 및 상자 도형 간 간섭을 포함한 전체 진폭을 사용하여 pp → H⁰H⁰의 부분론적 단면적을 분석하며, 행렬원소는 |C△F△ + C□F□|²로 표현된다.
• √ŝ 값의 범위에 걸쳐 이중 힉스 운동역학을 평가하여, 특히 √ŝ ≈ m_H 근처에서 삼중 힉스 결합 기여가 증폭되는 영역을 규명한다.
• b̄bγγ 최종 상태에서 불가피한 배경을 억제하기 위해 ΔR(γ,γ) 및 ΔR(b,γ)에 대한 최적의 운동역학적 컷을 적용하고, 여러 컷 변형을 비교한다.
• Baur 등(2003gp)의 컷을 사용하고 λ₃H에 대한 감도를 향상시키기 위해 수정하여, HL-LHC에서 3000 fb⁻¹의 통합 루미너스리티에 대한 신호 및 배경 이벤트 예측을 수행한다.
• 100 테바볼트 하드론 충돌기에서의 힉스 쌍 생성에 대한 단면적 예측을 수행하고, 표준모형 예측을 새로운 물리학이 λ₃H를 변화시킬 경우의 시나리오와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정확한 행렬원소 계산과 효과적 장이론(EFT) 근사법 사이의 차이가 √ŝ ≈ 2m_t의 임계부근에서 어떻게 나타나는가?
• RQ2 부분론적 중심질량 에너지 √ŝ의 어느 운동역학적 영역에서 삼중 힉스 자기결합 상수(λ₃H)의 기여가 이중 힉스 생성에 최대가 되는가?
• RQ3 HL-LHC 환경에서 b̄bγγ 배경과의 분리에 있어 ΔR(γ,γ) 및 ΔR(b,γ)에 대한 최적의 운동역학적 컷은 무엇인가?
• RQ4 큰 λ₃H의 편차(예: 표준모형 값의 10배)가 이중 힉스 운동역학과 신호 대 배경 비율에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 변경된 λ₃H 시나리오 하에서, HL-LHC와 미래의 100 테바볼트 충돌기에서 b̄bγγ 최종 상태의 예상 이벤트 수는 얼마인가?

주요 결과

• √ŝ ≈ 2m_t에서 EFT 근사법은 전체 상자 도형의 기하학적 특성을 忽略하여 정확한 계산에 비해 행렬원소 크기를 크게 과소평가한다.
• 삼중 힉스 자기결합 상수의 기여가 행렬원소에서 최대가 되는 지점은 √ŝ ≈ m_H 근처이며, 이 경우 절대 기여는 여전히 작다.
• √ŝ > 400 GeV인 영역에서는 삼중 힉스 상수가 행렬원소에 미치는 영향이 무시할 수 없을 정도로 작으며, 이는 그 관측 가능한 효과가 낮은 부분론적 에너지 영역에 국한됨을 확인한다.
• ΔR(γ,γ) < 2.2 및 ΔR(b,γ) > 0.4(식 16c)의 컷 조합이 10× 증폭된 λ₃H를 탐지할 때 최고의 유의도(43.84)를 제공하며, 다른 컷 설정보다 뛰어나다.
• 3000 fb⁻¹의 통합 루미너스리티에서 λ₃H = 10× 표준모형일 경우, 신호 수는 약 679건으로 추정되며, 최적 컷을 적용한 후 배경은 240건으로 감소한다.
• 식 16c 컷을 적용한 후 표준모형의 신호 수는 48건이며, 신호 대 배경 유의도는 3.08로 나타나, HL-LHC가 λ₃H의 편차를 고감도로 탐지할 수 있음을 시사한다.