[论文解读] Prospects for double Higgs production

Giuliano Panico|arXiv (Cornell University)|Dec 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 4

一句话总结

本文综述了在大型强子对撞机（LHC）、未来强子对撞机（如FCC-100）以及轻子对撞机（ILC、CLIC）上观测双希格斯玻色子产生的前景，通过有效场论分析此类过程如何探测希格斯粒子的三线自耦合及四线耦合。结果表明，未来的高能对撞机可实现对关键希格斯耦合（尤其是$c_{2V}$）的亚10%精度测量，从而实现对标准模型之外电弱对称性自发破缺机制的敏感检验。

ABSTRACT

A concise review of the double Higgs production channel at the LHC and at future hadron and lepton machines is presented.

研究动机与目标

• 评估在LHC及未来强子与轻子对撞机上测量双希格斯产生过程的可行性。
• 评估双希格斯产生过程对希格斯三线自耦合及与矢量玻色子、顶夸克耦合的敏感性。
• 使用有效场论参数化方法，比较不同对撞机场景下的测量精度。
• 确定提取新物理信号的最佳末态与运动学分布。

提出的方法

• 使用线性与非线性有效场论拉格朗日量，参数化希格斯耦合中新的物理效应。
• 应用SILH幂级数展开，将高维算符按能量尺度$m_*^{-2}$与希格斯场抑制尺度$v/f$进行组织。
• 分析三种主要产生通道：胶子融合、矢量玻色子融合，以及强子对撞机上的$tthh$过程。
• 聚焦关键末态，如$hh \to \gamma\gamma b\bar{b}$、$hh \to 4b$与$hh \to b\bar{b}\tau^+\tau^-$，以实现信号重建。
• 通过蒙特卡罗模拟与统计分析，估算耦合偏离量在$68\%$置信水平下的不确定性。
• 基于基准亮度与质心系能量，比较不同对撞机类型之间的测量精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC及未来$100\ \mathrm{TeV}$强子对撞机上，对希格斯三线自耦合$\overline{c}_6$的预期灵敏度如何？
• RQ2 希格斯粒子与矢量玻色子耦合的偏离（$c_V$、$c_{2V}$）如何影响矢量玻色子融合过程中$m_{hh}$分布？
• RQ3 在ILC与CLIC等未来轻子对撞机上，对希格斯三线耦合$c_3$的测量精度能达到何种水平？
• RQ4 顶夸克Yukawa耦合$\overline{c}_u$的不确定性如何影响$\overline{c}_6$的提取？
• RQ5 在高能区，$m_{hh}$分布是否可用于区分不同有效场论系数？

主要发现

• 在$100\ \mathrm{TeV}$强子对撞机上，若亮度为$3\ \mathrm{ab}^{-1}$，希格斯三线耦合$\overline{c}_6$的精度估计为$\Delta\overline{c}_6 \simeq 0.29$（$68\%$置信水平）。
• 对于$c_{2V}$耦合，FCC-100可实现$\Delta c_{2V} \simeq 0.03$（$68\%$置信水平），显著优于LHC的精度。
• 在ILC上，$1\ \mathrm{ab}^{-1}$亮度下$1\ \mathrm{TeV}$能量时，$c_3$的精度达到$\Delta c_3 \simeq 28\%$；而CLIC在$3\ \mathrm{TeV}$下可将该精度提升至$\Delta c_3 \simeq 12\%$。
• $c_{2V}$耦合在高$m_{hh}$区域最为敏感，CLIC在$3\ \mathrm{TeV}$下可实现$\Delta c_{2V} \simeq 3\%$，表明对矢量玻色子自耦合偏离具有极高灵敏度。
• $\overline{c}_6$的精度受限于$\overline{c}_u$的不确定性；当$\Delta\overline{c}_u \simeq 0.05$时，FCC-100上$\overline{c}_6$的不确定性为$\Delta\overline{c}_6 \simeq 0.29$，但若$\overline{c}_u$已知精确，则可提升至$\Delta\overline{c}_6 \simeq 0.18$。
• $hh \to \gamma\gamma b\bar{b}$末态在强子对撞机中最具前景，因其信号清晰且背景较低；而$hh \to 4b$在VBF通道分析中至关重要。