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

F. Arco, S. Heinemeyer+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文研究了在（HL-）LHC的2HDM类型I和II中，通过双希格斯玻色子产生（gg → hh）对超出标准模型（BSM）三重希格斯耦合的敏感性，特别是λhhH。利用HPAIR代码进行NLO计算并分析mhh不变质量分布，结果表明，HL-LHC可能探测到共振H交换效应，并实现对λhhH的一阶敏感性，尤其是在实验不确定性下仍能分辨干涉结构（峰-谷）时。

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.

研究动机与目标

• 评估HL-LHC在2HDM类型I和II中对BSM三线性希格斯耦合λhhH的敏感性。
• 使用HPAIR代码在重顶夸克极限下评估NLO阶双希格斯玻色子产生截面。
• 研究是否可通过mhh不变质量分布区分s通道H共振交换与非共振图（三角形/方框图）的贡献。
• 量化探测器分辨率、分箱方式及实验不确定性对mhh谱中干涉效应可观测性的影响。
• 确定在何种参数空间区域内，HL-LHC可首次观测或粗略测量λhhH，超越标准模型。

提出的方法

• 使用HPAIR代码在重顶夸克极限下，对2HDM类型I和II中的双希格斯玻色子产生截面（gg → hh）进行NLO QCD计算。
• 通过分析mhh不变质量分布，探测s通道共振H交换与非共振图（三角形/方框图）之间的干涉效应。
• 采用简化模型研究符号依赖的干涉结构（峰-谷或谷-峰），其出现在mhh = mH处，取决于(λhhH × ξtH)的符号。
• 系统性地改变实验不确定性：探测器分辨率展宽（15%和10%）、分箱大小（10–50 GeV）和分箱位置，以评估信号的鲁棒性。
• 定义相对敏感性变量R，以量化对λhhH的敏感性，且独立于实验精度估计。
• 基于与理论和实验约束的一致性，选择2HDM参数空间中的基准平面，包括接近对齐极限的区域（cβ−α ∼0.1–0.2）。

实验结果

研究问题

• RQ1 HL-LHC能否通过2HDM中的双希格斯玻色子产生，探测到三线性希格斯耦合λhhH与标准模型值的偏离？
• RQ2 mhh分布中的干涉结构（峰-谷或谷-峰）在多大程度上能揭示λhhH的存在及其符号？
• RQ3 探测器分辨率和分箱方式如何影响mhh分布中干涉特征的可观测性？
• RQ4 在具有大双希格斯截面或接近对齐极限的参数空间区域，HL-LHC对λhhH的敏感性如何？
• RQ5 HL-LHC是否能在无需完整实验重建的情况下，实现对λhhH大小的首次一阶测量？

主要发现

• HL-LHC可能通过双希格斯产生中的s通道共振H交换探测到BSM三线性希格斯耦合λhhH，尤其在mhh分布中干涉结构被分辨时。
• 共振H交换与非共振图之间的干涉项在mhh分布中产生峰-谷或谷-峰结构，具体取决于(λhhH × ξtH)的符号；随着H的总宽度增大，该结构的可见度降低。
• 探测器分辨率展宽（15%）会降低峰-谷结构中谷的可见度，但峰状特征仍占主导，表明信号具有部分鲁棒性。
• 分箱效应对敏感性度量R的影响极小，即使使用较粗的分箱（50 GeV），也表明该信号对典型喷注质量分辨率限制具有鲁棒性。
• 在引入实验不确定性后，无法仅从mhh分布中确定(λhhH × ξtH)的符号，限制了对λhhH符号的提取能力。
• 在有利的参数区域，HL-LHC可能实现对λhhH的一阶敏感性，从而实现对其大小的粗略测量，这对重建BSM模型中的希格斯势能至关重要。