[论文解读] Higgs boson pair production at the Photon Linear Collider in the two Higgs doublet model

Eri Asakawa, Daisuke Harada+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文研究了在光子线性对撞机（Photon Linear Collider）的双 Higgs 双重模型（Two Higgs Doublet Model, THDM）中，通过光子-光子融合产生 Higgs 玻色子对的过程，重点分析了由于额外 Higgs 玻色子的一圈修正导致的三重 Higgs 耦合（$hhh$）偏离。研究发现，非解耦效应和带电 Higgs 玻色子圈图可使 $\gamma\gamma \to hh$ 截面在额外 Higgs 玻色子质量较大时（$m_\Phi > 350$ GeV）提升高达 100%，使得这些信号在未来对撞机中可被探测到。

ABSTRACT

We calculate the cross section of the lightest Higgs boson pair production at the Photon Linear Collider in the two Higgs doublet model. We focus on the scenario in which the lightest Higgs boson has the standard model like couplings to gauge bosons. We take into account the one-loop correction to the $hhh$ coupling as well as additional one-loop diagrams due to charged bosons to the $γγ o hh$ helicity amplitudes. We discuss the impact of these corrections on the $hhh$ coupling measurement at the Photon Linear Collider.

研究动机与目标

• 评估在光子线性对撞机（PLC）上通过 $\gamma\gamma \to hh$ 测量 $hhh$ 耦合的统计灵敏度。
• 研究在双 Higgs 双重模型（THDM）中，新物理效应（特别是额外 Higgs 玻色子）对 $\gamma\gamma \to hh$ 过程的影响。
• 评估一阶圈修正（尤其是来自带电 Higgs 玻色子和修改后的 $hhh$ 顶点）对 $hhh$ 耦合测量的影响。
• 确定在未来的 PLC 能量下，THDM 签名在 $\gamma\gamma \to hh$ 通道中的可探测性。
• 将 PLC 对 $hhh$ 耦合的灵敏度与 ILC 进行比较，特别是在中间 Higgs 玻色子质量范围（140–200 GeV）内。

提出的方法

• 使用一阶振幅（包括极点图和盒子图）计算标准模型（SM）和 THDM 中的 $\gamma\gamma \to hh$ 截面。
• 纳入由于额外 Higgs 玻色子的非解耦效应导致的 $hhh$ 耦合的一阶圈修正（$\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}$）。
• 在 $\gamma\gamma \to hh$ 的螺旋振幅中加入来自带电 Higgs 玻色子的额外圈图贡献。
• 利用光子亮度谱，将子过程截面（$\hat{\sigma}(+,+)$）卷积为完整的 $e^-e^- \to \gamma\gamma \to hh$ 截面。
• 应用极化条件（电子束极化 $+0.45$，激光束极化 $-1$），以分离对 $hhh$ 顶点敏感的振幅。
• 通过事件数偏差进行统计灵敏度分析：$|N(\delta\kappa) - N(\delta\kappa=0)| = \sqrt{N(\delta\kappa=0)}$，假设标记效率为 100% 且亮度为 $1/3~{\rm ab}^{-1}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 THDM 中，由于额外 Higgs 玻色子的非解耦效应，$\gamma\gamma \to hh$ 截面与标准模型预测的偏离程度如何？
• RQ2 带电 Higgs 玻色子圈图在 PLC 中对 $\gamma\gamma \to hh$ 振幅和截面的修正作用是什么？
• RQ3 在 PLC 中，对 $hhh$ 耦合的灵敏度如何随 Higgs 玻色子质量 ($m_h$) 和质心系能量 ($\sqrt{s}$) 变化？
• RQ4 在 PLC 中，THDM 签名在 $\gamma\gamma \to hh$ 中是否可与标准模型区分，特别是在中间 Higgs 玻色子质量范围内？
• RQ5 在真实额外 Higgs 玻色子产生阈值以下，有效 $hhh$ 顶点和带电 Higgs 玻色子圈图的贡献如何相互作用？

主要发现

• 当 $m_\Phi > 350$ GeV 时，由于 $hhh$ 顶点的显著非解耦修正（$\Delta\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}/\Gamma_{hhh}^{\rm SM}$），THDM 中的 $\gamma\gamma \to hh$ 截面相比标准模型最多增强 ${\cal O}(100\%)$。
• 当 $m_\Phi < 300$ GeV 时，由于带电 Higgs 玻色子圈图效应在低能区被抑制，截面与标准模型的偏离较小（10–20%）。
• 截面增强在真实带电 Higgs 对产生阈值以下区域最为显著，此时有效 $hhh$ 顶点和带电 Higgs 玻色子圈图的贡献占主导。
• 当 $m_\Phi = 250$–$400$ GeV 时，带电 Higgs 玻色子圈图与增强的 $hhh$ 顶点的共同作用使截面比标准模型值高出 40–50%。
• 在 $\sqrt{s} = 350$ GeV 时，总截面强烈依赖于 $m_\Phi$，且在 $\sqrt{s} \sim 350$ GeV 附近的峰值随 $m_\Phi$ 减小而降低，这是由于 $\Delta\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}/\Gamma_{hhh}^{\rm SM}$ 减小所致。
• 在 $\sqrt{s} \ll 2m_\Phi/0.8$ 条件下，使用 SM 加上 $\Gamma_{hhh}^{\rm THDM}$（情况 e）的近似能很好地描述完整截面，验证了其在现象学研究中的适用性。