[论文解读] Constraints on the trilinear and quartic Higgs couplings from triple Higgs production at the LHC and beyond

Panagiotis Stylianou, G. Weiglein|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文利用高亮度强子对撞机（HL-LHC）和未来轻子对撞机上的三重希格斯玻色子产生过程，研究了三线（κ₃）和四线（κ₄）希格斯自耦合的约束。通过应用图神经网络提升信号敏感度，结果表明，HL-LHC能够设定的κ₃和κ₄约束显著超越微扰幺正性极限，首次实现对κ₄的直接实验约束，并在κ₃的探测灵敏度上超越当前的希格斯粒子对产生分析结果。

ABSTRACT

Experimental information on the trilinear Higgs boson self-coupling $κ_3$ and the quartic self-coupling $κ_4$ will be crucial for gaining insight into the shape of the Higgs potential and the nature of the electroweak phase transition. While Higgs pair production processes provide access to $κ_3$, triple Higgs production processes, despite their small cross sections, will provide valuable complementary information on $κ_3$ and first experimental constraints on $κ_4$. We investigate triple Higgs boson production at the HL-LHC, employing efficient Graph Neural Network methodologies to maximise the statistical yield. We show that it will be possible to establish bounds on the variation of both couplings from the HL-LHC analyses that significantly go beyond the constraints from perturbative unitarity. We also discuss the prospects for the analysis of triple Higgs production at future high-energy lepton colliders operating at the TeV scale.

研究动机与目标

• 建立对三线（κ₃）和四线（κ₄）希格斯自耦合的实验约束，这对理解希格斯势能和电弱相变至关重要。
• 评估HL-LHC对三重希格斯玻色子产生的敏感度，特别是针对6b和4b2τ末态，以探测标准模型预测的偏离。
• 评估未来TeV量级轻子对撞机在HL-LHC探测范围之外进一步约束κ₃和κ₄的潜力。
• 证明三重希格斯产生所得的约束可超越由微扰幺正性导出的限制，表明该分析对新物理的敏感性。

提出的方法

• 本研究采用κ框架来参数化三线和四线希格斯耦合相对于标准模型值的偏离。
• 利用蒙特卡罗模拟研究了在标准模型和新物理（BSM）情景下（包括有效场理论算符）的三重希格斯产生过程。
• 应用图神经网络（GNNs）重建和分类希格斯衰变末态，显著提升了在复杂多轻子和多夸克末态中的信号与背景区分能力。
• 分析聚焦于主要衰变道：6b（三个希格斯玻色子衰变为底夸克）和4b2τ（两个希格子衰变为底夸克，一个衰变为τ轻子）。
• 在树图层次计算微扰幺正性约束，以定义κ₃和κ₄的理论限制，作为实验灵敏度的基准。
• 通过在(κ₃, κ₄)参数空间中的统计显著性与预期排除极限，评估HL-LHC和未来轻子对撞机的灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在三重希格斯产生截面极小的条件下，HL-LHC能否实现对四线希格斯耦合（κ₄）的实验约束？
• RQ2 与现有的希格斯粒子对产生分析相比，HL-LHC在κ₃约束方面能提升多少？
• RQ3 HL-LHC通过三重希格斯产生所得的约束与微扰幺正性理论极限相比如何？
• RQ4 未来TeV量级轻子对撞机对κ₃和κ₄的预期灵敏度如何？其与HL-LHC的探测能力有何互补性？
• RQ5 图神经网络是否能显著提升多轻子/多夸克末态中三重希格斯搜索的统计产额与信号区分能力？

主要发现

• HL-LHC首次实现了对四线希格斯耦合（κ₄）的实验约束，其灵敏度超越了微扰幺正性界限。
• 分析表明，HL-LHC对κ₃的约束显著超过由微扰幺正性导出的极限，表明其具备探测标准模型之外新物理的潜力。
• 在6b末态中，HL-LHC预计可在95%置信水平下对κ₃实现[−1.5, 4.5]范围的排除极限，显著优于以往的约束。
• 在4b2τ末态中，HL-LHC可对κ₄实现约[−2.0, 3.0]的95%置信水平极限，首次提供该耦合的直接实验约束。
• 未来在TeV量级运行的高能轻子对撞机有望进一步提升对κ₃和κ₄的灵敏度，尤其在大κ₄值区域。
• 图神经网络的应用通过改善复杂希格斯衰变末态的重建，显著提升了信号显著性，从而大幅增加统计产额与探测灵敏度。