[论文解读] Phenomenology of the trilinear Higgs coupling at proton-proton colliders

M. Sławińska, Wollenberg, Wouter van den+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 10

一句话总结

本文研究了质子-质子对撞机中通过胶子融合产生的希格斯玻色子对，比较了精确的领先阶矩阵元计算与无限顶夸克质量近似（EFT）方法。研究识别出在√ŝ ≈ m_H附近等特定能区，三重希格斯自耦合项对双希格斯末态有显著影响，并提出了优化的运动学截断方案，以提升在高亮度LHC和未来100 TeV对撞机上测量λ₃H时的信号与背景分离能力。

ABSTRACT

We investigate Higgs pair production at proton-proton colliders, with emphasis on the gluon fusion channel at the HL-LHC. We study the behaviour of the leading order matrix element using exact computation of quark loops and infinite quark mass approximation. We analyse di-Higgs kinematics in search for phase space regions where the contribution of Higgs self-coupling to SM Higgs pair production is enhanced. We discuss how non-SM values of the Higgs trilinear coupling may affect the kinematics of the Higgs pair.

研究动机与目标

• 评估三重希格斯自耦合项（λ₃H）在质子-质子对撞机中Higgs对产生过程中的现象学影响。
• 将精确的领先阶矩阵元计算与有效场论（EFT）近似进行比较，特别是在夸克圈图贡献的背景下。
• 识别出三重希格斯耦合对双希格斯产生贡献相对于标准模型背景最大的运动学区域。
• 为提升高亮度LHC中b̄bγγ末态的信号与背景比，优化运动学截断。
• 通过截面预测评估未来100 TeV对撞机对非标准模型λ₃H值的探测灵敏度。

提出的方法

• 使用包含物理顶夸克质量的精确领先阶矩阵元计算，通过夸克圈图实现胶子融合，并与无限顶夸克质量近似（EFT）进行比较。
• 利用完整振幅分析pp → H⁰H⁰的partonic截面，包括三角图与盒图之间的干涉，矩阵元表达为|C△F△ + C□F□|²。
• 在一系列√ŝ值范围内评估双希格斯末态的运动学特性，以识别三重耦合贡献增强的区域，特别是在√ŝ ≈ m_H附近。
• 对ΔR(γ,γ)和ΔR(b,γ)应用优化的运动学截断，以抑制b̄bγγ末态中的不可约背景，并比较多种截断方案。
• 基于高亮度LHC的3000 fb⁻¹积分亮度，估算信号与背景事件产率，采用Baur等人（2003gp）的截断并加以改进，以增强对λ₃H的探测灵敏度。
• 对100 TeV强子对撞机中Higgs对产生的截面进行预测，并将标准模型预测与λ₃H因新物理而改变的场景进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在阈值附近√ŝ ≈ 2m_t时，Higgs对产生的精确矩阵元计算与有效场论（EFT）近似有何差异，特别是忽略盒图结构时？
• RQ2 在partonic质心系能量√ŝ的哪个运动学区域，三重希格斯耦合（λ₃H）对双希格斯产生的贡献达到最大？
• RQ3 在高亮度LHC环境下，对ΔR(γ,γ)和ΔR(b,γ)应采用何种运动学截断，才能最优地分离双希格斯信号与不可约的b̄bγγ背景？
• RQ4 当λ₃H出现大幅偏离（例如10倍SM值）时，双希格斯末态的运动学特性如何变化，对信号与背景比产生何种影响？
• RQ5 在λ₃H被修改的场景下，高亮度LHC和未来100 TeV对撞机中，b̄bγγ末态的双希格斯产生事件产率预期是多少？

主要发现

• 在√ŝ ≈ 2m_t附近，由于忽略了完整的盒图结构，EFT近似显著低估了矩阵元的模值，导致与精确计算结果产生较大偏差。
• 三重希格斯耦合对矩阵元的相对贡献在√ŝ ≈ m_H附近达到最大，尽管该区域的绝对贡献仍较小。
• 当√ŝ > 400 GeV时，三重耦合在矩阵元中的作用可忽略不计，证实其可观测效应局限于较低的partonic能量区域。
• 采用ΔR(γ,γ) < 2.2且ΔR(b,γ) > 0.4（公式16c）的截断组合时，对探测10倍增强的λ₃H可获得最高显著性（43.84），优于其他截断配置。
• 在3000 fb⁻¹积分亮度下，λ₃H = 10× SM时的信号事件产率估计为679起，经最优截断后背景被抑制至240起。
• 在截断（16c）下，SM信号产率经截断后为48起，信号与背景的显著性为3.08，表明高亮度LHC可对λ₃H的偏离实现高灵敏度探测。