[논문 리뷰] A Model Independent Analysis of Higgs-boson pair production at the LHC

Chih-Ting Lu, Jung Chang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 힉스 보손 쌍 생성을 모델에 종속되지 않은 방식으로 분석하며, $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 붕괴 채널을 통해 삼중 힉스 자기결합 상수를 탐색하는 데 초점을 맞춘다. $b\bar{b}$ 와 $\gamma\gamma$ 최종 상태 간의 각도 상관관계를 분석함으로써 삼각형 도형과 상자 도형을 분리할 수 있으며, 이는 14 테바르의 LHC와 향후 100 테바르의 pp 기계에서 $\lambda_{3H}$ 결합에 대한 청결한 민감도를 가능하게 한다. 이는 CP 위반성 있는 토프-요카와 및 $ttHH$ 결합이 존재하더라도 가능하다.

ABSTRACT

Higgs-boson pair production is well known being capable to probe the trilinear self-coupling of the Higgs boson, which is one of the important ingredients of the Higgs sector itself. Pair production then depends on the top-quark Yukawa coupling $g_t^{S,P}$, Higgs trilinear coupling $\lambda_{3H}$, and a possible dim-5 contact-type $ttHH$ coupling $g_{tt}^{S,P}$, which may appear in some higher representations of the Higgs sector. We take into account the possibility that the top-Yukawa and the $ttHH$ couplings involved can be CP violating. We calculate the cross sections and the interference terms as coefficients of the square or the 4th power of each coupling $(g_t^{S,P}, \lambda_{3H}, g_{tt}^{S,P})$ at various stages of cuts, such that the desired cross section under various cuts can be obtained by simply inputing the couplings. We employ the $H H o \gamma\gamma b \bar b$ decay mode of the Higgs-boson pair to investigate the possibility of disentangle the triangle diagram from the box digram so as to have a clean probe of the trilinear coupling at the LHC. We found that the angular separation between the $b$ and $\bar b$ and that between the two photons is useful. We obtain the sensitivity reach of each pair of couplings at the 14 TeV LHC and the future 100 TeV pp machine. Finally, we also comment on using the $b\bar b au^+ au^-$ decay mode in Appendix.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 모델에 종속되지 않은 방식으로 삼중 힉스 자기결합 상수 $\lambda_{3H}$ 를 탐색하기 위해.
• CP 위반성 있는 토크-쿼크 요카와 및 $ttHH$ 결합이 힉스 쌍 생성에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 에서 삼각형 도형과 상자 도형을 각도 상관관계를 통해 분리하기 위해.
• 14 테바르 LHC와 100 테바르 향후 pp 기계에서 $\lambda_{3H}$, $g_t^{S,P}$, 및 $g_{tt}^{S,P}$ 의 민감도 도달 범위를 정량화하기 위해.
• $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 붕괴 채널이 분석을 위한 대안 채널로서의 잠재력을 평가하기 위해.

제안 방법

• 결합 상수 $g_t^{S,P}$, $\lambda_{3H}$, $g_{tt}^{S,P}$ 의 제곱 또는 네제곱 계수로서 단면적과 간섭 항을 계산한다.
• 각도 분리 변수를 통해 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 붕괴 채널을 이용해 삼각형 도형과 상자 도형의 기여를 고립시킨다.
• 신호를 고립하고 결합 민감도를 추출하기 위해 여러 단계에서 운동량 절단 조건을 적용한다.
• CP 위반 위상이 토퍼-요카와 및 $ttHH$ 결합에 포함될 경우 관측량에 미치는 영향을 평가하기 위해 고려한다.
• 모의 신호 및 배경 과정을 사용하여 14 테바르 LHC와 100 테바르 향후 pp 충돌기에서 민감도 분석을 수행한다.
• 다양한 절단 조건 하에서 단면적에 대한 해석적 표현을 유도하여, 결합 값의 직접 입력을 통해 신호율을 즉각적으로 도출할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 삼각형 도형과 상자 도형의 간섭이 존재하는 상황에서, LHC에서 힉스 쌍 생성 시 삼중 힉스 자기결합 상수 $\lambda_{3H}$ 를 청결하게 탐색할 수 있는가?
• RQ2 토퍼-요카와 및 $ttHH$ 결합의 CP 위반 위상은 $\lambda_{3H}$ 탐색 민감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $b\bar{b}$ 와 $\gamma\gamma$ 최종 상태 간의 각도 상관관계는 삼각형 도형과 상자 도형 기여를 어느 정도 분리할 수 있는가?
• RQ4 14 테바르 LHC와 100 테바르 향후 pp 기계에서 $\lambda_{3H}$, $g_t^{S,P}$, $g_{tt}^{S,P}$ 의 민감도 도달 범위는 어떠한가?
• RQ5 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 와 비교할 때 $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 붕괴 채널은 힉스 자기결합을 탐색하는 데 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• $b$ 및 $\bar{b}$ 쿼크 사이와 두 광자 사이의 각도 분리가 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 에서 삼각형 도형과 상자 도형을 효과적으로 분리하는 데 유용하다.
• 모델에 종속되지 않은 프레임워크는 결합 값 입력을 통해 다양한 절단 조건 하에서 단면적을 직접 계산할 수 있어 민감도 스캔을 효율적으로 수행할 수 있다.
• 14 테바르 LHC에서 삼중 힉스 자기결합 상수 $\lambda_{3H}$ 의 민감도 확보가 가능하며, 향후 100 테바르 향후 pp 기계에서는 민감도가 크게 향상된다.
• 각도 상관관계를 사용할 경우, $g_t^{S,P}$ 와 $g_{tt}^{S,P}$ 의 CP 위반 위상은 $\lambda_{3H}$ 탐색 능력을 유의미하게 떨어뜨리지 않는다.
• $\gamma\gamma b\bar{b}$ 와 비교할 때 $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 붕괴 채널은 더 큰 배경과 낮은 각도 해상도로 인해 삼중 결합을 고립하는 데 덜 효과적이다.
• 이 연구는 두 기계 에너지에서 모두 $\lambda_{3H}$, $g_t^{S,P}$, $g_{tt}^{S,P}$ 의 정량적 민감도 도달 범위를 제공하며, 절단 조건 하에서의 신호율에 대한 명시적 수치 결과를 포함한다.