[论文解读] Studying the Higgs Potential at the e+e- Linear Collider

M. Battaglia, Eduard Boos+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 17

一句话总结

本文研究了在未来的 $e^+e^-$ 直线对撞机上通过 $e^+e^- \to HHZ$ 和 $HH\nu\bar{\nu}$ 过程测量希格斯玻色子三重自耦合 $g_{HHH}$ 的可行性，利用运动学和自旋依赖变量以减少背景稀释。在能量为 3 TeV、亮度为 5 ab$^{-1}$ 的对撞机上，该方法对 $g_{HHH}$ 的测量精度达到 7%，表明直线对撞机为精确探测希格斯势能形状提供了独特途径。

ABSTRACT

The determination of the shape of the Higgs potential is needed to complete the investigation of the Higgs profile and to obtain a direct experimental proof of the mechanism of electro-weak symmetry breaking. This can be achieved, at a linear collider, by determining the Higgs triple self-coupling g_HHH in the processes e+e--> HHZ and HHnunu and, possibly, the quartic coupling. This paper summarises the results of a study of the expected accuracies on the determination of g_HHH at a TeV-class LC and at a multi-TeV LC. The statistical dilution arising from contributions not sensitive to the triple Higgs vertex, can be reduced by means of variables sensitive to the kinematics and the spin properties of the reactions.

研究动机与目标

• 确定希格斯势能的形状，作为电弱对称性自发破缺的直接检验。
• 评估 $e^+e^-$ 直线对撞机对希格斯三重自耦合 $g_{HHH}$ 的灵敏度。
• 通过运动学和自旋变量减少来自非三重顶点图的统计稀释。
• 比较 TeV 级直线对撞机与多 TeV 级直线对撞机在探测 $g_{HHH}$ 方面的性能。

提出的方法

• 使用 CompHEP 进行部分子级事件生成，其中 $g_{HHH}$ 和 $M_H$ 可变，使用 Pythia 6 进行部分子辐射。
• 通过 Simdet 进行探测器模拟，以重建包含 $b\bar{b}$ 和 $W^+W^-$ 衰变的 $HH\nu\bar{\nu}$ 最终态。
• 利用 $HH$ 不变量质量 $M_{HH}$ 和 $HH$ 静止参考系中的希格斯衰变角 $\theta^*$ 区分信号与背景。
• 对事件计数以及归一化的 $M_{HH}$ 和 $|\cos\theta^*|$ 分布进行似然函数拟合，以提取 $g_{HHH}$。
• 对 $HH\nu\bar{\nu}$ 通道的背景过程进行模拟，并将其包含在分析中。
• 在 $\sqrt{s}$ = 0.5、0.8 TeV（TeV 级）和 3 TeV（多 TeV 级）下评估性能，亮度分别为 1 ab$^{-1}$ 和 5 ab$^{-1}$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $e^+e^-$ 直线对撞机上，希格斯三重自耦合 $g_{HHH}$ 是否能以足够高的精度被测量，以检验标准模型的预测？
• RQ2 运动学变量如 $M_{HH}$ 和 $|\cos\theta^*|$ 在减少来自非三重顶点图的稀释方面有多有效？
• RQ3 在不同质心系能量下，$HHZ$ 和 $HH\nu\bar{\nu}$ 过程的相对探测灵敏度如何？
• RQ4 束流极化是否能进一步提高 $g_{HHH}$ 测定的精度？
• RQ5 当前对撞机构型下，四次希格斯耦合是否可被探测到？

主要发现

• 在 3 TeV 的 $e^+e^-$ 对撞机上，亮度为 5 ab$^{-1}$ 时，$HH\nu\bar{\nu}$ 通道利用截面和 $|\cos\theta^*|$ 形状信息，对 $g_{HHH}$ 的相对精度达到 $\pm 0.070$。
• 当 $M_H = 120$ GeV 时，3 TeV 下亮度为 5 ab$^{-1}$ 的 $HH\nu\bar{\nu}$ 通道对 $g_{HHH}$ 的精度为 $\pm 0.070$（统计），优于仅使用截面的 $\pm 0.094$ 结果。
• 在 $\sqrt{s}$ = 0.8 TeV、亮度为 1 ab$^{-1}$ 的 $HHZ$ 通道中，对 $g_{HHH}$ 的精度为 $\pm 0.29$（统计），通过 $M_{HH}$ 拟合将不确定性从 $\pm 0.35$ 降低。
• $HH\nu\bar{\nu}$ 过程的截面约为 $HHZ$ 的七倍，因此在高能区更具优势。
• $HH\nu\bar{\nu}$ 截面在 10 TeV 时被抑制，当 $\sqrt{s}$ = 10 TeV 且 $M_H = 120$ GeV 时，每年仅约有五个事件。
• 由于截面极小且非信号图导致的稀释严重，四次希格斯耦合仍不可探测。