[论文解读] Double Higgs production at TeV Colliders in the Minimal Supersymmetric Standard Model

R. Lafaye, D.J. Miller+2 more|ArXiv.org|Feb 23, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 11

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上通过胶子融合过程（pp → hh）以及在未来的直线对撞机上通过正负电子湮灭过程（e⁺e⁻ → hhZ）的双希格斯玻色子产生，其背景为最小超对称标准模型（MSSM）中的H → hh共振模式，当m_H ≳ 2m_h时。研究结果表明，可通过这些过程探测Hhh三线耦合，且由于共振产生机制的增强作用，即使存在背景，该信号仍可被探测，尤其是在背景可忽略且信号显著性高的直线对撞机中。

ABSTRACT

The reconstruction of the Higgs potential in the Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM) requires the measurement of the trilinear Higgs self-couplings. The `double Higgs production' subgroup has been investigating the possibility of detecting signatures of processes carrying a dependence on these vertices at the Large Hadron Collider (LHC) and future Linear Colliders (LCs). As reference reactions, we have chosen $gg o hh$ and $e^+e^- o h h Z$, respectively, where $h$ is the lightest of the MSSM Higgs bosons. In both cases, the $Hhh$ interaction is involved. For $m_H>2m_h$, the two reactions are resonant in the $H o hh$ mode, providing cross sections which are detectable at both accelerators and strongly sensitive to the strength of the trilinear coupling involved. We explore this mass regime of the MSSM in the $h o b\bar b$ decay channel, also accounting for irreducible background effects.

研究动机与目标

• 评估在未来的TeV对撞机上测量MSSM中三线希格斯自耦合的可行性。
• 评估在高tanβ和中等mA条件下，最轻的希格斯玻色子h在h → bb̄bb̄末态中的发现潜力。
• 研究在m_H ≳ 2m_h区域中，通过共振H → hh产生作为对希格斯自能项，特别是Hhh顶点的探针。
• 比较在强子（LHC）和轻子（LC）环境中双希格斯产生过程的信号与背景比率。
• 确定在LHC上，现实探测器效应和背景抑制是否能够保持信号的可观测性。

提出的方法

• 分析主导的双希格斯产生过程：在LHC中为gg → hh，在直线对撞机中为e⁺e⁻ → hhZ。
• 聚焦于通过中间希格斯态H的共振通道，其中当m_H ≳ 2m_h时，H → hh。
• 使用部分子层次的树幅阶振幅计算信号与QCD/电弱背景，包括干涉效应。
• 应用运动学截断和b夸克标记以提高信号与背景比率，特别是在4b末态中。
• 考虑探测器接受度，并假设在信号重建中具有高b标记效率和纯度。
• 比较截面和背景贡献，包括不可约QCD（O(α_s⁴)）、电弱（O(α_em⁴)）和混合（O(α_s²α_em²)）过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC和直线对撞机上，是否可通过双希格斯产生探测MSSM中的三线Hhh耦合？
• RQ2 当m_H ≳ 2m_h时，共振H → hh产生如何增强信号截面？
• RQ3 在LHC的4b末态中，不可约QCD背景对信号探测有何影响？
• RQ4 高纯度b夸克标记和运动学截断是否足以抑制背景，使信号可观测？
• RQ5 在H → hh共振区域中，e⁺e⁻和pp对撞机的信号截面与背景水平如何比较？

主要发现

• 通过gg → H → hh和e⁺e⁻ → HZ → hhZ的共振H → hh产生，在LHC上使信号截面相比SM速率增强达两个数量级。
• 在直线对撞机中，信号与背景比率极为有利，背景贡献小于10%的修正，从而可实现高显著性测量。
• 在500 fb⁻¹积分亮度下，LHC在低tanβ条件下预计可获得156个信号事例，在高tanβ条件下为15个信号事例，假设理想b标记且无背景抑制。
• 即使在对式(11)–(14)的全部约束下，信号截面仍可探测至约10⁻³ fb，且背景抑制足以实现可观测的信号率。
• 初步研究表明，尽管存在大量QCD背景，现实探测器模拟和事例重建仍可保持LHC上信号的可观测性。
• 该研究表明，连续区双希格斯产生在探测希格斯自能项特性方面具有前景，尤其是在高tanβ区域，尽管发现潜力仍需进一步分析。