Repository logo
 

Double Higgs boson production and Higgs self-coupling extraction at CLIC

Published version
Peer-reviewed

Change log

Authors

Xu, Boruo 

Abstract

jats:titleAbstract</jats:title>jats:pThe Compact Linear Collider (CLIC) is a future electron–positron collider that will allow measurements of the trilinear Higgs self-coupling in double Higgs boson events produced at its high-energy stages with collision energies from jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\sqrt{s}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:msqrt mml:mis</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> = 1.4 to 3 TeV. The sensitivity to the Higgs self-coupling is driven by the measurements of the cross section and the invariant mass distribution of the Higgs-boson pair in the W-boson fusion process, jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\text {e}^{+}\text {e}^{-}\rightarrow {\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:msup mml:mtexte</mml:mtext> mml:mo+</mml:mo> </mml:msup> mml:msup mml:mtexte</mml:mtext> mml:mo-</mml:mo> </mml:msup> mml:mo→</mml:mo> mml:mrow mml:mtextHH</mml:mtext> mml:miν</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:miν</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>. It is enhanced by including the cross-section measurement of ZHH production at 1.4 TeV. The expected sensitivity of CLIC for Higgs pair production through W-boson fusion is studied for the decay channels jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\mathrm{b}\bar{\mathrm{b}}\mathrm{b}\bar{\mathrm{b}}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:mib</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:mib</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> mml:mib</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:mib</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>  and jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\mathrm{b}\bar{\mathrm{b}}\mathrm{W}\mathrm{W}^{*}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:mib</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:mib</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> mml:miW</mml:mi> mml:msup mml:mrow mml:miW</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow <mml:mrow /> mml:mo∗</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>  using full detector simulation including all relevant backgrounds at jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\sqrt{s}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:msqrt mml:mis</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> = 1.4 TeV with an integrated luminosity of jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\mathcal {L}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:miL</mml:mi> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> = 2.5 abjats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$^{-1}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:msup <mml:mrow /> mml:mrow mml:mo-</mml:mo> mml:mn1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> and at jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\sqrt{s}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:msqrt mml:mis</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> = 3 TeV with jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\mathcal {L}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:miL</mml:mi> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> = 5 abjats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$^{-1}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:msup <mml:mrow /> mml:mrow mml:mo-</mml:mo> mml:mn1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula>. Combining jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\text {e}^{+}\text {e}^{-}\rightarrow {\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:msup mml:mtexte</mml:mtext> mml:mo+</mml:mo> </mml:msup> mml:msup mml:mtexte</mml:mtext> mml:mo-</mml:mo> </mml:msup> mml:mo→</mml:mo> mml:mrow mml:mtextHH</mml:mtext> mml:miν</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:miν</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> and ZHH  cross-section measurements at 1.4 TeV with differential measurements in jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$\text {e}^{+}\text {e}^{-}\rightarrow {\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:msup mml:mtexte</mml:mtext> mml:mo+</mml:mo> </mml:msup> mml:msup mml:mtexte</mml:mtext> mml:mo-</mml:mo> </mml:msup> mml:mo→</mml:mo> mml:mrow mml:mtextHH</mml:mtext> mml:miν</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:miν</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> events at 3 TeV, CLIC will be able to measure the trilinear Higgs self-coupling with a relative uncertainty of jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$-8%$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:mo-</mml:mo> mml:mn8</mml:mn> mml:mo%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> and jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$$ +11%$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:mo+</mml:mo> mml:mn11</mml:mn> mml:mo%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> at 68% C.L., assuming the Standard Model. In addition, prospects for simultaneous constraints on the trilinear Higgs self-coupling and the Higgs-gauge coupling HHWW are derived based on the jats:inline-formulajats:alternativesjats:tex-math$${\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$</jats:tex-math><mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> mml:mrow mml:mtextHH</mml:mtext> mml:miν</mml:mi> mml:mover mml:mrow mml:miν</mml:mi> </mml:mrow> mml:mrow mml:mo¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:math></jats:alternatives></jats:inline-formula> measurement.</jats:p>

Description

Keywords

5106 Nuclear and Plasma Physics, 5107 Particle and High Energy Physics, 51 Physical Sciences

Journal Title

The European Physical Journal C

Conference Name

Journal ISSN

1434-6044
1434-6052

Volume Title

80

Publisher

Springer Science and Business Media LLC