[论文解读] Higgs Pair Production in the 2HDM: Impact of Loop Corrections to the Trilinear Higgs Couplings and Interference Effects on Experimental Limits

S. Heinemeyer, Margarete Mühlleitner+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文研究了在大型强子对撞机（LHC）上，双 Higgs 系统（hh）的不变质量分布如何受到双 Higgs双重态模型（2HDM）中圈修正与干涉效应的影响，表明非共振贡献和量子修正显著改变了 mhh 谱的形状。因此，仅基于共振信号假设的当前实验限制可能过于乐观，需要在扩展的 Higgs 体系中重新评估排除界限。

ABSTRACT

The results obtained at the LHC for constraining the trilinear Higgs self-coupling of the detected Higgs boson at about 125 GeV, $\lambda_{hhh}$, via the Higgs pair production process have significantly improved during the last years. We investigate the impact of potentially large higher-order corrections and interference effects on the comparison between the experimental results and the theoretical predictions for the pair production of the 125 GeV Higgs boson at the LHC. We use the theoretical framework of the Two Higgs Doublet Model (2HDM), containing besides the SM-like ${\cal CP}$-even Higgs boson $h$ a second ${\cal CP}$-even Higgs boson $H$, which we assume to be heavier, $m_H > m_h$. We analyze in particular the invariant mass distribution of the two produced Higgs bosons and show that the loop corrections to the trilinear Higgs couplings $\lambda_{hhh}$ and $\lambda_{hhH}$ as well as interference contributions give rise to important effects both for the differential and the total cross section. We point out the implications for the experimental limits that can be obtained in the 2HDM for the case of the resonant production of the heavy Higgs boson $H$. We emphasize the importance of the inclusion of interference effects between resonant and non-resonant contributions in the experimental analysis for a reliable determination of exclusion bounds for a heavy resonance of an extended Higgs sector.

研究动机与目标

• 评估高阶量子修正与干涉效应对 2HDM 中 Higgs 粒子对产生过程的影响。
• 评估这些效应与标准共振信号假设相比，如何扭曲 Higgs 粒子对的不变质量分布（mhh）。
• 确定 ATLAS 和 CMS 基于纯共振贡献假设得出的当前实验限制，在包含完整振幅干涉的现实情景下是否仍然有效。
• 强调需要建立一种新的实验框架，以包含非共振与干涉贡献，从而在扩展的 Higgs 体系中获得可靠的排除界限。

提出的方法

• 本研究采用双 Higgs 双重态模型（2HDM）作为理论框架，假设一个重的 CP 偶性 Higgs 粒子 H，满足 mH > mh。
• 计算了 Higgs 粒子对产生的完整振幅，包括通过 H 交换的共振贡献、非共振的 SM 类似贡献（s-通道 h 交换），以及顶夸克圈图诱导的盒图贡献。
• 通过有效场论技术，将 Higgs 三线耦合 λhhh 和 λhhH 的圈修正纳入计算，从而得到微分与总截面。
• 通过 15% 的弥散化与 50 GeV 的分箱模拟 mhh 的不变质量分布，以近似探测器分辨率，便于与实验分析进行比较。
• 将包含共振与非共振贡献之间干涉项的完整振幅，与 ATLAS 和 CMS 搜索中使用的纯共振信号模型进行对比。
• 在基准参数点上进行数值分析，以评估在现实振幅干涉下，现有排除界限的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 对三线 Higgs 耦合 λhhh 和 λhhH 的圈修正如何影响 2HDM 中 Higgs 粒子对产生的微分与总截面？
• RQ2 与纯共振峰结构相比，共振与非共振贡献之间的干涉效应在多大程度上扭曲了 mhh 不变质量分布？
• RQ3 当包含完整振幅干涉时，基于纯共振信号模型的 ATLAS 和 CMS 当前实验排除界限是否仍然有效？
• RQ4 当包含圈修正时，三角形与盒图形式因子在阈值处的抵消效应对微分截面产生何种定量影响？
• RQ5 在现实的 BSM 情景中，是否可以不假设主导共振峰而可靠地解释观测到的 mhh 分布？

主要发现

• 对三线 Higgs 耦合 λhhh 和 λhhH 的圈修正导致 mhh 不变质量分布显著扭曲，尤其是在 hh 阈值上方，这归因于三角形与盒图形式因子主导项抵消的破坏。
• 包含共振与非共振贡献之间干涉的完整振幅，导致 mhh 分布平滑下降，仅在 mH 附近有微弱调制，而非当前共振搜索中假设的尖锐峰。
• 在基准情景中，若仅基于纯共振模型，预期可实现排除，但完整振幅导致的分布显著不同，表明现有限制可能过于乐观。
• 由于干涉效应导致的 mhh 谱扭曲，使得信号分辨比理想化的共振峰情形要困难得多。
• 本研究表明，基于纯共振假设得出的当前实验限制在现实的 BSM 情景中并不稳健，当考虑完整振幅时，可能排除了实际上允许的参数点。
• 结果呼吁建立一种新的实验框架，以包含非共振与干涉贡献，从而在扩展的 Higgs 体系中确保理论与实验之间可靠比较。