[论文解读] A Model Independent Analysis of Higgs-boson pair production at the LHC

Chih-Ting Lu, Jung Chang+2 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文对大型强子对撞机（LHC）上希格斯玻色子对产生进行了模型无关分析，重点通过 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 衰变道探测三重希格斯自耦合。通过研究 $b\bar{b}$ 与 $\gamma\gamma$ 最终态之间的角相关性，该研究分离了三角图与盒图贡献，即使在存在 CP 破坏的顶夸克-希格斯耦合及 $ttHH$ 耦合的情况下，也能在 14 TeV LHC 和未来 100 TeV pp 对撞机上实现对 $\lambda_{3H}$ 耦合的清晰敏感探测。

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.

研究动机与目标

• 在 LHC 上以模型无关的方式探测三重希格斯自耦合 $\lambda_{3H}$。
• 研究 CP 破坏的顶夸克- Yukawa 耦合及 $ttHH$ 耦合对希格斯玻色子对产生过程的影响。
• 通过角相关性在 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 中分离三角图与盒图贡献。
• 量化在 14 TeV LHC 和 100 TeV 未来 pp 对撞机上对 $\lambda_{3H}$、$g_t^{S,P}$ 和 $g_{tt}^{S,P}$ 的敏感度范围。
• 评估 $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 衰变道作为分析替代通道的潜力。

提出的方法

• 将截面和干涉项计算为耦合常数平方或四次方的系数：$g_t^{S,P}$、$\lambda_{3H}$ 和 $g_{tt}^{S,P}$。
• 利用 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 衰变道，通过角分离变量隔离三角图与盒图的贡献。
• 在多个阶段应用运动学截断，以分离信号并提取耦合敏感度。
• 考虑顶-希格斯耦合与 $ttHH$ 耦合中的 CP 破坏相位，以评估其对可观测量的影响。
• 在 14 TeV LHC 和 100 TeV 未来 pp 对撞机上，基于模拟的信号与背景过程执行敏感度分析。
• 推导出在各种截断条件下的截面解析表达式，使耦合值可直接输入以获得信号速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管存在三角图与盒图的干扰，是否仍可在 LHC 上对三重希格斯自耦合 $\lambda_{3H}$ 实现清晰探测？
• RQ2 顶-希格斯耦合与 $ttHH$ 耦合中的 CP 破坏相位如何影响对 $\lambda_{3H}$ 的敏感度？
• RQ3 $b\bar{b}$ 与 $\gamma\gamma$ 最终态之间的角相关性在多大程度上可有效分离三角图与盒图贡献？
• RQ4 在 14 TeV LHC 和 100 TeV 未来 pp 对撞机上，对 $\lambda_{3H}$、$g_t^{S,P}$ 和 $g_{tt}^{S,P}$ 的敏感度范围如何？
• RQ5 $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 衰变道相较于 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 在探测希格斯自耦合方面的有效性如何？

主要发现

• 在 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 中，$b$ 与 $\bar{b}$ 夸克之间以及两个光子之间的角分离有效分离了三角图与盒图贡献。
• 该模型无关框架允许通过直接输入耦合值，在各种截断条件下高效计算截面，从而实现敏感度扫描。
• 在 14 TeV LHC 上可实现对三重希格斯自耦合 $\lambda_{3H}$ 的敏感探测，且在 100 TeV 未来 pp 对撞机上敏感度显著增强。
• 当使用角相关性时，$g_t^{S,P}$ 和 $g_{tt}^{S,P}$ 中的 CP 破坏相位不会显著降低对 $\lambda_{3H}$ 的探测能力。
• $b\bar{b} \mu^+ \mu^-$ 衰变道由于背景较大且角分辨率较低，相较于 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 在分离三重耦合方面效果较差。
• 本研究为两种对撞机能量下的所有三个耦合（$\lambda_{3H}$、$g_t^{S,P}$、$g_{tt}^{S,P}$）提供了定量敏感度范围，并给出了在各种截断条件下信号速率的明确数值结果。