[论文解读] Constraining the Higgs boson self-coupling from single- and double-Higgs production with the ATLAS detector using $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2934 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

该论文结合了13 TeV质子-质子对撞中单重和双重希格斯玻色子产生的分析，利用完整的ATLAS Run 2数据集（126–139 fb⁻¹）对希格斯玻色子自耦合进行约束。通过将双重希格斯产生过程的𝑏𝑏̄𝛾𝛾、𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻和𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄衰变道与单重希格斯产生过程的γγ、𝑍𝑍∗、𝑊𝑊∗、𝜏⁺𝜏⁻和𝑏𝑏̄道相结合，该研究在95%置信水平下设定了迄今为止最严格的希格斯自耦合修正因子𝜅𝜆的限制，即排除−1.4 < 𝜅𝜆 < 6.1的取值，前提是其他耦合常数允许自由浮动。

ABSTRACT

Constraints on the Higgs boson self-coupling are set by combining double-Higgs boson analyses in the bb¯bb¯, bb¯τ+τ− and bb¯γγ decay channels with single-Higgs boson analyses targeting the γγ, ZZ⁎, WW⁎, τ+τ− and bb¯ decay channels. The data used in these analyses were recorded by the ATLAS detector at the LHC in proton–proton collisions at s=13 TeV and correspond to an integrated luminosity of 126–139 fb−1. The combination of the double-Higgs analyses sets an upper limit of μHH&lt;2.4 at 95% confidence level on the double-Higgs production cross-section normalised to its Standard Model prediction. Combining the single-Higgs and double-Higgs analyses, with the assumption that new physics affects only the Higgs boson self-coupling (λHHH), values outside the interval −0.4&lt;κλ=(λHHH/λHHHSM)&lt;6.3 are excluded at 95% confidence level. The combined single-Higgs and double-Higgs analyses provide results with fewer assumptions, by adding in the fit more coupling modifiers introduced to account for the Higgs boson interactions with the other Standard Model particles. In this relaxed scenario, the constraint becomes −1.4&lt;κλ&lt;6.1 at 95% CL.

研究动机与目标

• 利用√s = 13 TeV下完整的Run 2数据集，通过直接和间接探测手段约束希格斯玻色子自耦合𝜆𝐻𝐻𝐻。
• 通过在多个衰变道中结合单重希格斯和双重希格斯产生分析，提升灵敏度。
• 通过允许标准模型其他粒子的耦合修正因子浮动，而非假设其为标准模型值，降低模型依赖性。
• 通过探测希格斯自相互作用的偏离及其对高阶修正的影响，检验标准模型希格斯机制的有效性。

提出的方法

• 利用126–139 fb⁻¹的13 TeV质子-质子对撞数据，结合𝑏𝑏̄𝛾𝛾、𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻和𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄衰变道中的双重希格斯产生分析。
• 使用简化的模板横截面（STXS）参数化方法，将γγ、𝑍𝑍∗、𝑊𝑊∗、𝜏⁺𝜏⁻和𝑏𝑏̄衰变道中的单重希格斯产生横截面和分支比进行联合分析。
• 采用κ框架进行全局拟合，其中希格斯自耦合修正因子𝜅𝜆 = 𝜆𝐻𝐻𝐻 / 𝜆𝑆𝑀𝐻𝐻𝐻被变化，而其他耦合修正因子（𝜅𝑡、𝜅𝑏、𝜅𝜏、𝜅𝑉）或固定为1，或允许浮动。
• 拟合中引入了依赖于𝜅𝜆的下一阶电弱修正，这些修正影响单重希格斯的产生和衰变率。
• 推导出双重希格斯信号强度的观测和预期上限，观测上限在95%置信水平下为标准模型预测值的2.4倍。
• 从检验统计量曲线中提取统计不确定性，不假设其为高斯分布，从而确保置信区间的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用ATLAS实验完整的Run 2数据集，对希格斯玻色子自耦合修正因子𝜅𝜆的最严格约束是什么？
• RQ2 当允许顶夸克、底夸克、τ轻子和矢量玻色子的耦合修正因子浮动而非固定为其标准模型值时，𝜅𝜆的约束如何变化？
• RQ3 由𝜅𝜆介导的NLO电弱修正的间接效应在多大程度上提升了对希格斯自耦合的探测灵敏度？
• RQ4 多个双重希格斯衰变道（𝑏𝑏̄𝛾𝛾、𝑏𝑏̄𝜏⁺𝜏⁻、𝑏𝑏̄𝑏𝑏̄）联合结果与单个道的限制相比如何？
• RQ5 在仅假设自耦合被修改的前提下，从VBF双重希格斯产生中推导出的𝑉𝑉𝐻𝐻顶点耦合修正因子𝜅²𝑉的约束是什么？

主要发现

• 观测到的双重希格斯产生横截面（归一化至标准模型预测值）在95%置信水平下的上限为2.4。
• 在假设仅希格斯自耦合偏离标准模型的前提下，结合单重与双重希格斯分析，95%置信水平下排除了𝜅𝜆在−0.4 < 𝜅𝜆 < 6.3范围之外的取值。
• 当允许𝜅𝑡、𝜅𝑏、𝜅𝜏和𝜅𝑉浮动时，𝜅𝜆的约束变为−1.4 < 𝜅𝜆 < 6.1（95%置信水平），该结果模型依赖性更低但略弱。
• 在其他所有希格斯耦合均为标准模型值的假设下，𝑉𝑉𝐻𝐻顶点耦合修正因子𝜅²𝑉的约束为0.1 < 𝜅²𝑉 < 2.0（95%置信水平）。
• 在标准模型假设下的预期排除范围为−2.2 < 𝜅𝜆 < 7.7（95%置信水平），与观测结果一致。
• 本研究结合了完整的Run 2数据集中的直接和间接探测手段，为迄今为止对希格斯玻色子自相互作用最严格的约束。