[论文解读] Further on up the road: $hhjj$ production at the LHC

Matthew J. Dolan, Christoph Englert+2 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Oct 3, 2013

Distributed and Parallel Computing Systems被引用 32

一句话总结

本文对大型强子对撞机（LHC）上伴随两个喷注的双希格斯玻色子产生过程（$hhjj$）进行了全微分、强子层次的分析，强调了顶夸克与底夸克有限质量效应在胶子融合贡献中的关键作用。研究结果表明，尽管弱玻色子融合（WBF）贡献处于次要地位且受统计限制，但要实现可靠的信号建模，必须对有效场论计算进行基于相空间的重加权，以保留顶夸克与底夸克质量依赖性，从而为未来探测三重和四重希格斯耦合提供可能。

ABSTRACT

A measurement of the $hh+2j$ channel at the LHC would be particularly thrilling for electroweak physics. It is not only the leading process which is sensitive to the $W^+W^- hh$ and $ZZhh$ interactions, but also provides a potentially clear window to study the electroweak symmetry-breaking sector by probing Higgs-Goldstone interactions through the weak boson fusion component of the scattering process. Until now, a phenomenologically complete analysis of this channel has been missing. This is mostly due to the high complexity of the involved one-loop gluon fusion contribution and the fact that a reliable estimate thereof cannot be obtained through simplified calculations in the $m_t o \infty$ limit. In particular, the extraction of the Higgs trilinear coupling from this final state rests on a delicate $m_t$-dependent interference pattern which is not captured in an effective field theory approach. In this paper, we report on the LHC's potential to access di-Higgs production in association with two jets in a fully-showered hadron-level analysis. Our study includes the finite top and bottom mass dependencies for the gluon fusion contribution. On the basis of these results, we also comment on the potential sensitivity to the trilinear Higgs and $VV^\dagger hh$ ($V=W^\pm,Z$) couplings that can be expected from measurements of this final state.

研究动机与目标

• 提供LHC上$hhjj$产生过程的全现象学分析，包括完整的强子层次模拟与真实的背景建模。
• 解决有效场论方法在捕捉胶子融合中与$ m_t $相关的干涉效应方面的局限性，这些效应对于提取三重希格斯耦合至关重要。
• 评估$hhjj$作为探测希格斯三重耦合$\lambda_{\text{SM}}$与$VV^\dagger hh$四重耦合潜力的可能性。
• 评估尽管WBF主导的$hhjj$事件贡献较小且统计能力弱，其在信号提取中的可行性。

提出的方法

• 基于MadGraph和GoSam开发了一个独立的库，用于实现基于相空间点的重加权程序，以修正有效理论计算。
• 该方法在胶子融合振幅中完整保留了顶夸克与底夸克质量依赖性，纠正了在$ m_t \to \infty $极限下缺失的$ m_t $相关干涉模式。
• 使用蒙特卡洛模拟对完整的强子末态进行了建模，包括$ b\bar{b} $、$ \tau^+\tau^- $和$ \gamma\gamma $衰变模式。
• 利用能量-动量流与喷注子结构等运动学可观测量，以区分WBF与胶子融合贡献。
• 对背景抑制策略（包括$ b $与$ \tau $夸克识别）进行了真实建模，以评估信号与背景的比值。
• 构建了综合分析框架，以评估在不同相空间区域中对三重与四重希格斯耦合的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，是否能通过包含有限顶夸克与底夸克质量的全微分、强子层次分析，可靠地建模$hhjj$产生的胶子融合贡献？
• RQ2 弱玻色子融合（WBF）与胶子融合（GF）对$hhjj$末态的相对贡献如何？是否能通过标准技术将WBF成分有效分离？
• RQ3 胶子融合中与$ m_t $相关的干涉效应在$hhjj$中对希格斯三重耦合提取的影响程度如何？
• RQ4 当WBF贡献处于次要地位时，$hhjj$产生过程是否仍可作为测量$VV^\dagger hh$四重耦合的可行通道？
• RQ5 在高亮度LHC下，$hhjj$对探测希格斯 sector 新物理的预期统计能力如何？

主要发现

• 胶子融合对$hhjj$产生的贡献占主导地位，若忽略有限顶夸克与底夸克质量，仅依赖有效场论近似将无法可靠建模。
• 有限的$ m_t $与$ m_b $效应导致精细的干涉图案，这对准确提取三重希格斯耦合至关重要，而此类效应在简化计算中无法体现。
• 弱玻色子融合（WBF）贡献处于次要地位，每3 ab$^{-1}$仅约30个事件，使用标准分析技术其统计效应可忽略不计。
• WBF成分对$VV^\dagger hh$耦合高度敏感，但其产额过低，限制了其在无先进喷注子结构与矩阵元技术情况下的直接耦合测量能力。
• 已成功实现基于相空间的重加权方法，以校正有效理论结果，完整保留了$ m_t $与$ m_b $依赖性，实现了精确的信号建模。
• 尽管面临挑战，$hhjj$末态仍是高亮度LHC下探测希格斯自耦合与四重规范玻色子耦合的可行且互补的通道，尤其在结合先进重建技术时。