[논문 리뷰] Sensitivity to Triple Higgs Couplings via Di-Higgs Production in the 2HDM at the (HL-)LHC

F. Arco, S. Heinemeyer외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 (HL-)LHC에서 2HDM 타입 I 및 II의 이중 힉스 생성(gg → hh)을 통해 표준모형을 초월하는(BSM) 삼중 힉스 결합에 대한 민감도, 특히 λhhH에 대해 조사한다. NLO 계산을 HPAIR를 사용하여 수행하고 mhh 진동 질량 분포를 분석함으로써, HL-LHC가 공진 상태 s-채널 H 교환 효과를 탐지하고, 실험적 불확실성에도 불구하고 간섭 구조(피크-드롭)가 해석될 경우 λhhH에 대한 최초의 민감도를 확보할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

An important task of the LHC is the investigation of the Higgs-boson sector. Of particular interest is the reconstruction of the Higgs potential, i.e. the measurement of the Higgs self-couplings. Based on previous analyses, within the 2HDMs type~I and~II, we analyze several two-dimensional benchmark planes that are over large parts in agreement with all theoretical and experimental constraints. For these planes we evaluate di-Higgs production cross sections at the (HL-)LHC with a center-of-mass energy of 13 TeV at NLO in the heavy top-quark limit with the code HPAIR. We investige in particular the process $gg o hh$, with $h$ being the Higgs boson discovered at the LHC with a mass of about 125 GeV. The top box diagram of the loop-mediated gluon fusion process into Higgs pairs interferes with the $s$-channel exchange of the two CP-even 2HDM Higgs bosons $h$ and $H$ involving the trilinear couplings $\lambda_{hhh}$ and $\lambda_{hhH}$, respectively. Depending on the size of the involved top-Yukawa and triple Higgs couplings as well as on the mass of $H$, the contribution of the $s$-channel $H$~diagram can be dominating or be highly suppressed. We find regions of the allowed parameter space in which the di-Higgs production cross section can differ by many standard deviations from its SM prediction, indicating possible access to deviations in $\lambda_{hhh}$ from the SM value $\lambda_{ m SM}$ and/or contributions involving $\lambda_{hhH}$. The sensitivity to $\lambda_{hhH}$ is further analyzed employing the $m_{hh}$ distributions. We demonstrate how a possible measurement of $\lambda_{hhH}$ depends on the various experimenal uncertainties. Depending on the underlying parameter space, the HL-LHC may have the option not only to detect beyond-the-Standard-Model triple Higgs couplings, but also to provide a first rough measurement of their sizes.

연구 동기 및 목표

• HL-LHC가 2HDM 타입 I 및 II에서 BSM 삼중 힉스 결합 λhhH에 대해 어떤 민감도를 가지는지 평가하기.
• HPAIR 코드를 사용하여 무거운 톰-쿼크 근사에서 NLO 수준에서 이중 힉스 생성 단면적을 평가하기.
• mhh 진동 질량 분포를 통해 공진 상태 s-채널 H 교환과 비공진 상태 삼각형/박스 도형 간의 간섭 효과를 구별할 수 있는지 조사하기.
• 검출기 해상도, 구간 크기, 실험적 불확실성의 영향을 mhh 스펙트럼에서의 간섭 효과 탐지 가능성에 대해 정량화하기.
• 표준모형을 초월하여 λhhH를 최초로 관측하거나 근사 측정할 수 있는 매개변수 공간 영역을 규명하기.

제안 방법

• 무거운 톰-쿼크 근사에서 HPAIR 코드를 사용하여 2HDM 타입 I 및 II에서 이중 힉스 생성 단면적(NLO QCD 계산) 수행.
• 공진 상태 s-채널 H 교환과 비공진 상태 삼각형/박스 도형 간의 간섭 효과를 탐지하기 위해 mhh 진동 질량 분포 분석.
• mhh = mH에서 (λhhH × ξtH)의 부호에 따라 피크-드롭 또는 드롭-피크 구조를 보이는 부호 의존 간섭 구조를 연구하기 위해 토이 모델 사용.
• 실험적 불확실성의 체계적 변동: 검출기 해상도 스메어링(15% 및 10%), 구간 크기(10–50 GeV), 구간 위치를 변화시켜 신호의 강건성 평가.
• 실험 정밀도 추정과 무관하게 λhhH에 대한 민감도를 정량화하기 위해 상대 민감도 변수 R 정의.
• 이론적 및 실험적 제약 조건(특히 정렬 한계 근접성(cβ−α ∼0.1–0.2))을 고려하여 2HDM 매개변수 공간의 벤치마크 평면 선정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 HL-LHC는 2HDM에서 이중 힉스 생성를 통해 표준모형 값에서 벗어난 삼중 힉스 결합 λhhH의 편차를 탐지할 수 있는가?
• RQ2 mhh 분포에서의 간섭 구조(피크-드롭 또는 드롭-피크)는 λhhH의 존재와 부호를 어느 정도 드러내는가?
• RQ3 검출기 해상도와 구간 설정은 mhh 분포에서의 간섭 특징 탐지 가능성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 큰 이중 힉스 단면적 또는 정렬 한계 근처의 매개변수 공간 영역에서 HL-LHC는 λhhH에 대해 어떤 민감도를 가지는가?
• RQ5 완전한 실험적 재구성 없이도 HL-LHC는 λhhH의 크기를 최초로 측정할 수 있는가?

주요 결과

• HL-LHC는 이중 힉스 생성에서 공진 상태 s-채널 H 교환을 통해 BSM 삼중 힉스 결합 λhhH를 탐지할 수 있으며, 특히 mhh 분포에서 간섭 구조가 해석될 경우에 특히 유리하다.
• 공진 상태 H 교환과 비공진 상태 도형 간의 간섭 항은 (λhhH × ξtH)의 부호에 따라 mhh 분포에서 피크-드롭 또는 드롭-피크 구조를 형성하며, H의 총 위상이 증가할수록 이 구조는 더 흐리게 나타난다.
• 검출기 해상도 스메어링(15%)은 피크-드롭 구조의 드롭 부분의 가시성을 감소시키지만, 볼록한 특징이 여전히 지배적이므로 신호의 부분적인 강건성이 있음을 시사한다.
• 구간 설정의 영향은 민감도 측정 변수 R에 거의 영향을 주지 않으며, 조잡한 구간(50 GeV)일지라도 신호가 일반적인 제트 질량 해상도 제약에 대해 강건함을 시사한다.
• 실험적 불확실성이 포함된 후에는 mhh 분포에서 (λhhH × ξtH)의 부호를 결정할 수 없어 λhhH의 부호를 추출할 능력이 제한된다.
• 유리한 매개변수 영역에서는 HL-LHC가 λhhH에 대해 최초의 민감도를 확보할 수 있으며, 이는 BSM 모델에서 힉스 포텐셜을 재구성하는 데 필수적인 크기의 근사 측정을 가능하게 한다.