[论文解读] A New Indirect Probe of the Higgs Self-Coupling

Matthew McCullough|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文提出了一种新的间接方法，通过分析 $e^+e^-$ 对撞机中 Higgs 粲生截面的下一阶修正（NLO），来约束 Higgs 自耦合（$h^3$）。研究表明，在特定模型中——尤其是两 Higgs 双生模型（2HDM）——自耦合修改引起的 NLO 效应可主导于领先阶（LO）修正，从而在双 Higgs 产生阈值以下实现间接约束，为直接测量双 Higgs 产生提供了互补的洞察。

ABSTRACT

The Higgs associated production cross section at an $e^+ e^-$ collider is indirectly sensitive to the Higgs self-coupling, $h^3$, at next-to-leading order (NLO). Utilizing this, a new indirect method is proposed for constraining deviations in the self-coupling below the di-Higgs production threshold in certain models. Although this indirect constraint is model-dependent, making it valid only under specific assumptions, meaningful indirect constraints on the self-coupling may be realized. Specific realistic scenarios where the indirect constraint applies are discussed and in particular it is shown that in the well-motivated class of two Higgs-doublet models there exist regions of parameter space in which the NLO effects from a modified self-coupling dominate over the LO modifications, demonstrating a concrete scenario in which large modifications of the Higgs self-coupling may be indirectly constrained using the proposed method. Other models, such as strongly coupled scenarios, are also discussed. The indirect method would give valuable constraints on deviations in the Higgs self-coupling, and would be complementary to the direct measurements possible with di-Higgs production at other colliders, providing precious additional information in the effort to unravel the properties of the Higgs boson.

研究动机与目标

• 开发一种在双 Higgs 产生阈值以下运行的 Higgs 自耦合间接探测方法，此时直接测量不可行。
• 识别在何种模型框架下，NLO 量子修正对 Higgs 自耦合的偏离变得敏感。
• 证明在如两 Higgs 双生模型（2HDM）等物理动机充分的模型中，间接约束的可行性。
• 为其他对撞机中的直接双 Higgs 产生测量提供互补方法。
• 探索该方法在强耦合情形及其他理论框架中的可行性。

提出的方法

• 利用 $e^+e^-$ 碰撞中 Higgs 粲生截面的下一阶（NLO）量子修正作为 Higgs 自耦合的探测手段。
• 分析 $h^3$ 耦合修改如何影响 NLO 幅值，该效应在某些参数区域可主导于领先阶（LO）效应。
• 在两 Higgs 双生模型（2HDM）的背景下应用该方法，识别出 NLO 效应对自耦合偏离敏感的参数空间。
• 比较 NLO 与 LO 贡献的相对大小，以评估在特定情景下自耦合效应的主导性。
• 评估该方法在强耦合模型中的适用性，评估其对 Higgs 自耦合偏离的敏感度。
• 依赖有效场论框架中的量子修正理论计算，以提取对 $h^3$ 耦合的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $e^+e^-$ Higgs 粲生中，NLO 修正是否能作为双 Higgs 阈值以下 Higgs 自耦合的可行间接探测手段？
• RQ2 在哪些模型框架中，自耦合修改引起的 NLO 效应会主导于领先阶修正？
• RQ3 在两 Higgs 双生模型中，哪些参数区域允许通过该方法实现对 Higgs 自耦合的显著间接约束？
• RQ4 该间接方法与其它对撞机中直接双 Higgs 产生测量相比，在灵敏度和互补性方面如何？
• RQ5 该方法在强耦合情形或其他新物理框架中的适用程度如何？

主要发现

• 在两 Higgs 双生模型（2HDM）的某些区域中，自耦合修改引起的 NLO 修正主导于领先阶修正，从而实现间接约束。
• 该方法提供了一种模型相关但有意义的 Higgs 自耦合间接约束，其有效性依赖于特定的理论假设。
• 即使双 Higgs 产生在运动学上被禁止，该间接探测手段仍对 $h^3$ 耦合的偏离保持敏感。
• 该方法为直接双 Higgs 测量提供了互补信息，增强了对 Higgs 玻色子性质的整体探测灵敏度。
• 该方法在强耦合情形中也适用，但其灵敏度取决于具体模型参数。
• 分析结果证实，在缺乏直接产生的情况下，NLO 量子修正可作为 Higgs 自耦合的可行探测手段。