[论文解读] Effective field theory analysis of double Higgs production via gluon fusion

Aleksandr Azatov, Roberto Contino+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 59

一句话总结

本文针对14 TeV LHC和未来100 TeV对撞机上的胶子融合双希格斯玻色子产生过程，进行了全面的有效场论（EFT）分析，重点关注 $hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 最终态。通过详细的蒙特卡罗模拟和不变质量分布分析，评估了对EFT系数的敏感度，指出了先前研究中的局限性，并发现：在LHC上仅能达到对希格斯三线耦合的 $O(1)$ 精度，而在100 TeV对撞机上使用 $3\,\text{ab}^{-1}$ 亮度时，预计可实现约30%的精度。

ABSTRACT

We perform a detailed study of double Higgs production via gluon fusion in the Effective Field Theory (EFT) framework where effects from new physics are parametrized by local operators. Our analysis provides a perspective broader than the one followed in most of the previous analyses, where this process was merely considered as a way to extract the Higgs trilinear coupling. We focus on the $hh o b\bar bγγ$ channel and perform a thorough simulation of signal and background at the 14 TeV LHC and a future 100 TeV proton-proton collider. We make use of invariant mass distributions to enhance the sensitivity on the EFT coefficients and give a first assessment of the impact of jet substructure techniques on the results. The range of validity of the EFT description is estimated, as required to consistently exploit the high-energy range of distributions, pointing out the potential relevance of dimension-8 operators. Our analysis contains a few important improvements over previous studies and identifies some inaccuracies there appearing in connection with the estimate of signal and background rates. The estimated precision on the Higgs trilinear coupling that follows from our results is less optimistic than previously claimed in the literature. We find that a ~30% accuracy can be reached on the trilinear coupling at a future 100 TeV collider with 3 ab^-1. Only an O(1) determination seems instead possible at the LHC with the same amount of integrated luminosity.

研究动机与目标

• 将双希格斯产生过程的分析从标准模型三线耦合提取扩展至新物理动力学的更广泛探测，采用有效场论（EFT）框架。
• 评估 $hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道在14 TeV LHC和未来100 TeV质子-质子对撞机上对EFT系数的敏感度。
• 评估高能区EFT描述的有效性，特别是八维算符的相关性，并估算EFT方法的破缺尺度。
• 纠正先前对信号与背景率估计中的不准确之处，提高基于EFT分析的精密测量可靠性。
• 研究喷注子结构技术在高能希格斯对末态中对信号与背景区分的影响。

提出的方法

• 采用系统化的EFT框架，通过局部算符参数化新物理效应，重点关注与双希格斯产生相关的六维和八维算符。
• 对14 TeV和100 TeV质心系能量下的 $b\bar{b}\gamma\gamma$ 最终态，进行信号与QCD背景过程的详细蒙特卡罗模拟。
• 应用运动学截断和不变质量重建，以增强对EFT系数的敏感度，特别是在希格斯对系统的高能区。
• 使用匹配的LO+PS样本（树幅级与部分子簇射匹配）近似NLO截面，并通过与完整NLO模拟对比验证一致性。
• 采用反-$k_t$算法（$R=0.3$）实现光子隔离与喷注重建，并应用类实验的截断条件以模拟实际探测器环境。
• 通过幂次计数评估EFT的有效范围，并估算八维算符开始显著的能标。

实验结果

研究问题

• RQ1 $hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道对希格斯三线耦合以外的EFT系数的敏感度如何？
• RQ2 在相同亮度下，14 TeV LHC与未来100 TeV对撞机在希格斯三线耦合精度上的表现有何差异？
• RQ3 八维算符在双希格斯产生中的贡献程度如何？EFT描述在何种能量尺度下会失效？
• RQ4 喷注子结构技术如何影响高能希格斯对末态中的信号与背景区分？
• RQ5 先前对信号与背景率估计中的关键错误是什么？它们如何影响EFT敏感度预测？

主要发现

• 在14 TeV LHC上，使用 $3\,\text{ab}^{-1}$ 亮度时，对希格斯三线耦合的估计精度仅为 $O(1)$，远低于先前的乐观估计。
• 在未来的100 TeV对撞机上，使用 $3\,\text{ab}^{-1}$ 亮度时，通过不变质量分布分析，可实现对希格斯三线耦合约30%的精度。
• 匹配的LO+PS样本能可靠地近似完整NLO截面，k因子约为2，且微分分布具有良好的一致性。
• 关键运动学变量（如 $m_{b\bar{b}}$、$m_{\gamma\gamma}$、$m_{hh}$）的微分分布，在LO匹配样本与完整NLO样本之间表现出良好一致性，验证了前者在效率与敏感度研究中的适用性。
• 八维算符在高能区可能具有显著影响，因此必须仔细估算EFT的有效范围，以避免理论不确定性失控。
• 本研究识别并纠正了先前在信号与背景率估计中的不准确之处，特别是在运动学截断与重建效率方面。