[论文解读] Higgs Physics at the HL-LHC and HE-LHC

M. Cepeda, Stefania Gori+375 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 358

一句话总结

本文评估了高亮度和高能LHC在推进希格斯玻色子物理方面的潜力，重点在于通过有效场论和直接搜索方法对耦合常数、奇异衰变以及新物理进行精确测量。预计在ttH耦合上可实现2%的精度，而在1 TeV能量下测量的等效精度达到希格斯玻色子质量处的千分之一水平，从而能够探测高达100 TeV的新物理尺度。

ABSTRACT

The discovery of the Higgs boson in 2012, by the ATLAS and CMS experiments, was a success achieved with only a percent of the entire dataset foreseen for the LHC. It opened a landscape of possibilities in the study of Higgs boson properties, Electroweak Symmetry breaking and the Standard Model in general, as well as new avenues in probing new physics beyond the Standard Model. Six years after the discovery, with a conspicuously larger dataset collected during LHC Run 2 at a 13 TeV centre-of-mass energy, the theory and experimental particle physics communities have started a meticulous exploration of the potential for precision measurements of its properties. This includes studies of Higgs boson production and decays processes, the search for rare decays and production modes, high energy observables, and searches for an extended electroweak symmetry breaking sector. This report summarises the potential reach and opportunities in Higgs physics during the High Luminosity phase of the LHC, with an expected dataset of pp collisions at 14 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 3~ab$^{-1}$. These studies are performed in light of the most recent analyses from LHC collaborations and the latest theoretical developments. The potential of an LHC upgrade, colliding protons at a centre-of-mass energy of 27 TeV and producing a dataset corresponding to an integrated luminosity of 15~ab$^{-1}$, is also discussed.

研究动机与目标

• 评估HL-LHC与HE-LHC对希格斯玻色子耦合（特别是与顶夸克和矢量玻色子）的精确测量能力。
• 评估对稀有和奇异希格斯衰变（包括衰变为轻型新物理粒子如暗光子和轴子样粒子）的发现潜力。
• 量化HE-LHC通过高能散射过程（包括矢量玻色子散射和二玻色子产生）探测新物理的能力。
• 研究质心系能量和亮度提升对有效场论算符及新物理尺度探测灵敏度的影响。
• 预测希格斯耦合比值测量的改进以及极化矢量玻色子散射分量的提取。

提出的方法

• 利用包含高阶维度算符的有效场论（EFT）系统地参数化新物理对希格斯耦合和振幅的影响。
• 对高能下的希格斯、Drell-Yan及二玻色子可观测量进行全局拟合，以约束威尔逊系数并提取对新物理尺度的灵敏度。
• 采用先进的模拟与积压堆抑制技术，提升半轻末态中矢量玻色子散射（VBS）截面测量的精度。
• 应用运动学重建与c-夸克喷注识别技术，增强HE-LHC能量下H → c̄c及稀有希格斯衰变的探测灵敏度。
• 结合理论预测与实验性能预测，估算系统不确定性与耦合精度的改进。
• 分析通过胶子融合与关联产生过程探测新希格斯玻色子（如S → hh）的潜力，利用更高的亮度与能量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在HL-LHC与HE-LHC中，ttH耦合的预期精度是多少？当理论不确定性降低时，其性能如何提升？
• RQ2 HE-LHC在多大程度上可通过高能希格斯与矢量玻色子散射过程探测超出标准模型的新物理尺度？
• RQ3 HE-LHC能否观测到H → c̄c或稀有奇异希格斯衰变（如h → XX → bbµµ或4ℓ）？可探测的分支比是多少？
• RQ4 HE-LHC如何提升对极化矢量玻色子散射分量的测量精度，以及对纯纵向末态显著性的提升？
• RQ5 与HL-LHC相比，HE-LHC在探测扩展希格斯结构（如pp → S → hh中的重希格斯玻色子S）方面有何预期发现能力？

主要发现

• 在HE-LHC中，ttH耦合的精度预计可达到约2%，前提是理论不确定性降低2倍。
• ttH与ttZ耦合之比可实现百分之一水平的测量，得益于统计能力增强与系统误差减小。
• HE-LHC可在1 TeV质心系能量下实现10%的测量精度，等效于希格斯玻色子质量处的千分之一精度，从而具备探测约25 TeV量级新物理尺度的能力。
• 与HL-LHC相比，HE-LHC对描述异常四玻色子耦合的八维算符的灵敏度提高了10至20倍。
• HE-LHC可探测分支比低至∼10⁻⁵（如h → XX → bbµµ）和∼10⁻⁸（如h → 4ℓ）的奇异希格斯衰变，其探测能力分别比HL-LHC提升约5倍和308倍。
• HE-LHC将pp → S → hh过程中的重希格斯玻色子S的发现能力扩展至比HL-LHC探测质量高1.5至2倍的范围。