[论文解读] Measuring Di-Higgs Physics via the $t \bar t hh o t \bar t b \bar bb\bar b$ Channel

Tao Liu, Hao Zhang|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文提出在HL-LHC和100 TeV pp对撞机上通过 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 通道测量双希格斯玻色子物理，通过利用 $t\bar{t}hh$ 产生过程与归一化三希格斯耦合 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 的正相关性，为标准 $pp \to hh$ 通道提供互补敏感度。在HL-LHC上实现 >2.0σ 显著性，在100 TeV对撞机上（3000 fb$^{-1}$）达到 ~5σ，尤其在 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 时效果显著。

ABSTRACT

The measurement of di-Higgs physics can provide crucial information on electroweak phase transition in the early Universe and significant clues on new physics coupling with the Higgs field directly. This measurement has been suggested to be pursued mainly via the $pp o hh$ production. In this letter, we propose a new strategy to do that, i.e., via the $pp o t \bar t hh $ production. Because of its positive correlation with the rescaled tri-Higgs coupling $\fracλ{λ_{ m SM}}$ (in comparison to a negative one for the $pp o hh$ production) in the neighborhood of $\fracλ{λ_{ m SM}} \sim 1$, the $pp o t\bar t hh$ production complements the $pp o hh$ one in measuring di-Higgs physics, particularly for $\fracλ{λ_{ m SM}}>1$, at both the High Luminosity LHC (HL-LHC) and a next-generation $pp$-collider. As an illustration, we work on the process $pp o t\bar thh o t\bar t b\bar b b\bar b$. We show that a statistical significance of $> 2.0 σ$ at the HL-LHC, comparable to that of the $pp o hh o b\bar b γγ$ channel, and a statistical significance of $\sim 5 σ$ at a 100 TeV $pp$-collider, with 3000 fb$^{-1}$ of data, are achievable in searching for the di-Higgs production with $\fracλ{λ_{ m SM}} = 1$.

研究动机与目标

• 为解决标准双希格斯通道（$pp \to hh$）在探测 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 的大值时敏感度有限的问题，此类值在电弱重子生成模型中受到青睐。
• 克服在SM值附近 $pp \to hh$ 截面与 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 呈负相关的缺陷，该缺陷会抑制 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 时的探测敏感度。
• 探索一种新通道 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$，其截面随 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 单调增加，从而在该参数区域实现增强的敏感度。
• 为直接耦合至希格斯场的新物理提供互补探测，特别是通过如 $t\bar{t}hh/\Lambda$ 等算符，这些算符可通过 $t\bar{t}hh$ 产生过程被探测。
• 证明在HL-LHC和100 TeV对撞机上，通过该通道测量三希格斯耦合可达到与 $b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道相当的统计显著性。

提出的方法

• 提出 $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 通道作为双希格斯玻色子物理的新策略，利用顶夸克对末态以提升信号与背景之比。
• 利用 $t\bar{t}hh$ 产生截面随 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 单调增加的特性，与 $pp \to hh$ 产生中截面的负相关性形成鲜明对比。
• 基于详细模拟分析 $t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 末态，包括半轻子和轻子衰变模式的 $t\bar{t}$，以估算信号显著性。
• 应用运动学重建与多变量分析技术，有效抑制主要的QCD和 $t\bar{t}b\bar{b}$ 背景。
• 使用微分截面 $d(\sigma/\sigma_{\rm SM})/d(\lambda/\lambda_{\rm SM})$ 量化敏感度，显示随着 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 增大，$t\bar{t}hh$ 的斜率呈正向且持续增长。
• 将该通道与标准 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道的敏感度进行比较，证明在 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 时性能更优。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 的参数区域，$t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 通道是否能提供一种可行且互补的双希格斯玻色子探测方法？
• RQ2 与标准 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道相比，$t\bar{t}hh$ 通道在测量三希格斯耦合方面敏感度如何？
• RQ3 在HL-LHC和100 TeV pp对撞机（3000 fb$^{-1}$）上，$pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 通道可实现的统计显著性是多少？
• RQ4 $t\bar{t}hh$ 通道能否帮助打破 $pp \to hh$ 通道中 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 与背景贡献之间的简并性？
• RQ5 在多大程度上，$t\bar{t}hh$ 通道能够探测增强三希格斯耦合或引入如 $t\bar{t}hh/\Lambda$ 这类异常耦合的新物理模型？

主要发现

• $pp \to t\bar{t}hh \to t\bar{t}b\bar{b}b\bar{b}$ 通道在HL-LHC（3000 fb$^{-1}$）上实现了 >2.0σ 的统计显著性，与 $b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道相当。
• 在100 TeV pp对撞机（3000 fb$^{-1}$）上，该通道在 $\lambda/\lambda_{\rm SM} = 1$ 时达到 ~5σ 的显著性，显示出极高敏感度。
• $t\bar{t}hh$ 产生截面随 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 增大而增加，提供正相关性，从而在 $\lambda/\lambda_{\rm SM} > 1$ 时增强敏感度，与 $pp \to hh$ 中的负相关性形成鲜明对比。
• 由于 $d(\sigma/\sigma_{\rm SM})/d(\lambda/\lambda_{\rm SM})$ 的导数持续增长，该通道在HL-LHC上对测量 $\lambda/\lambda_{\rm SM}$ 的敏感度约为标准 $pp \to hh \to b\bar{b}\gamma\gamma$ 通道的两倍。
• 基于半轻子 $t\bar{t}$ 衰变，该通道在HL-LHC上可实现约150%的三希格斯耦合统计精度，在100 TeV对撞机上可实现约70%的精度。
• 该通道为现有 $pp \to hh$ 和 $jjhh$ 通道提供了关键补充，尤其适用于探测需要增强三希格斯耦合以触发强一级电弱相变的模型。