[论文解读] An Exploratory study of Higgs-boson pair production

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

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本研究调查了大型强子对撞机（LHC）及未来100 TeV质子-质子对撞机上的希格斯玻色子对产生过程，重点通过 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 衰变模式中的角关联，将三重希格斯自耦合与顶夸克杨-米尔斯耦合及维度-5的 $ttHH$ 接触耦合分离开来。关键结果表明，当截面测量不确定性低于25%时，可统计检测到非零的三重自耦合，灵敏度可达 $0.3 \lesssim |\lambda_{3H}| \lesssim 2.6$（对应标准模型截面的 $\sigma / \sigma_{\rm SM} = 1$）。

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 $λ_{3H}$, 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 $(g_t^{S,P}, λ_{3H}, g_{tt}^{S,P})$ 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 $H H o γγb \bar b$ 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 $b\bar b τ^+ τ^-$ decay mode in Appendix.

研究动机与目标

• 探测尚未测量的希格斯自能谱中关键特征——希格斯三重自耦合 $\lambda_{3H}$。
• 在希格斯对产生过程中，分离出三角图（希格斯自耦合）与盒图（仅杨-米尔斯耦合）的贡献。
• 评估14 TeV LHC与未来100 TeV质子-质子对撞机对 $\lambda_{3H}$、顶夸克-杨-米尔斯耦合及 $ttHH$ 耦合（包括CP破坏分量）的探测灵敏度。
• 评估 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 与 $\tau^+\tau^- b\bar{b}$ 衰变模式在探测希格斯对产生中新物理潜力方面的表现。

提出的方法

• 采用有效拉格朗日量方法，对希格斯三重自耦合 $\lambda_{3H}$、顶夸克杨-米尔斯耦合 $g_t^{S,P}$ 以及维度-5的 $ttHH$ 接触耦合 $g_{tt}^{S,P}$（含CP奇分量）进行建模。
• 计算截面及干涉项，作为各耦合平方或四次方的系数，从而在不同截断条件下实现截面预测。
• 利用 $HH \to \gamma\gamma b\bar{b}$ 衰变模式，通过角分离变量 $\Delta R_{\gamma\gamma}$ 与 $\Delta R_{bb}$ 隔离三角图贡献，该方法在高能下抑制盒图主导效应。
• 使用 MADGRAPH v5 进行蒙特卡洛模拟，以建模信号事件并提取动量分布。
• 分析不变质量 $M_{\gamma\gamma b\bar{b}}$ 与角关联，以区分三角图与盒图贡献。
• 通过比较信号速率与标准模型预测值，在考虑实际截断与不确定性的前提下，评估14 TeV LHC与100 TeV质子-质子对撞机的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在希格斯对产生过程中，能否将三重希格斯自耦合 $\lambda_{3H}$ 与顶夸克杨-米尔斯耦合及 $ttHH$ 接触耦合分离开来？
• RQ2 角分离 $\Delta R_{\gamma\gamma}$ 与 $\Delta R_{bb}$ 在分离三角图贡献与盒图贡献方面有多高效？
• RQ3 在实验不确定性低于25%的条件下，14 TeV LHC与100 TeV质子-质子对撞机对 $\lambda_{3H}$ 的灵敏度可达多高？
• RQ4 顶夸克-杨-米尔斯耦合与 $ttHH$ 耦合中CP奇分量的存在如何影响信号可观测性？
• RQ5 $\tau^+\tau^- b\bar{b}$ 衰变模式能否作为探测希格斯自耦合的可行替代方案，与 $\gamma\gamma b\bar{b}$ 比较？

主要发现

• 希格斯对衰变产物之间的角分离 $\Delta R_{\gamma\gamma}$ 与 $\Delta R_{bb}$ 有效实现了对三角图（含 $s$-通道希格斯传播子）与盒图的分离，原因在于二者能量依赖性不同。
• 在14 TeV LHC上，$\Delta R_{\gamma\gamma} > 2$ 区域内，三角图与盒图贡献之比约为1:2.8，而在100 TeV下提升至1:3.7，证实了高能下三角图的抑制效应。
• 当测量不确定性低于25%时，可统计检测到非零的三重自耦合 $\lambda_{3H}$，灵敏度覆盖范围为 $0.3 \lesssim |\lambda_{3H}| \lesssim 2.6$（对应 $\sigma / \sigma_{\rm SM} = 1$）。
• 由维度-5算符产生的 $ttHH$ 接触相互作用在 $\sqrt{\hat{s}} \sim 17.6 / g_{tt}^{S}$ TeV 时会破坏单位性，表明在高不变质量下可能占主导。
• 若耦合参数显著偏离标准模型值，截面可增加一个数量级——例如在特定耦合构型下，当 $\lambda_{3H} > 9$ 或 $\lambda_{3H} < -4$ 时，$\sigma / \sigma_{\rm SM} > 10$。
• $\tau^+\tau^- b\bar{b}$ 衰变模式的分支比高于 $\gamma\gamma b\bar{b}$，但考虑到 $\tau$ 识别与动量分辨率效率损失后，事件率相当。