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

Abstract

Abstract The 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 $$\sqrt{s}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math> = 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, $$\text {e}^{+}\text {e}^{-}\rightarrow {\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mtext>e</mml:mtext> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mtext>e</mml:mtext> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mtext>HH</mml:mtext> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> . 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 $$\mathrm{b}\bar{\mathrm{b}}\mathrm{b}\bar{\mathrm{b}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:math> and $$\mathrm{b}\bar{\mathrm{b}}\mathrm{W}\mathrm{W}^{*}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>b</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> <mml:mi>W</mml:mi> <mml:msup> <mml:mrow> <mml:mi>W</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mrow/> <mml:mo>∗</mml:mo> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> using full detector simulation including all relevant backgrounds at $$\sqrt{s}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math> = 1.4 TeV with an integrated luminosity of $$\mathcal {L}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:math> = 2.5 ab $$^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> and at $$\sqrt{s}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msqrt> <mml:mi>s</mml:mi> </mml:msqrt> </mml:math> = 3 TeV with $$\mathcal {L}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mi>L</mml:mi> </mml:math> = 5 ab $$^{-1}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:msup> <mml:mrow/> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn> </mml:mrow> </mml:msup> </mml:math> . Combining $$\text {e}^{+}\text {e}^{-}\rightarrow {\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mtext>e</mml:mtext> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mtext>e</mml:mtext> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mtext>HH</mml:mtext> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> and ZHH cross-section measurements at 1.4 TeV with differential measurements in $$\text {e}^{+}\text {e}^{-}\rightarrow {\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup> <mml:mtext>e</mml:mtext> <mml:mo>+</mml:mo> </mml:msup> <mml:msup> <mml:mtext>e</mml:mtext> <mml:mo>-</mml:mo> </mml:msup> <mml:mo>→</mml:mo> <mml:mrow> <mml:mtext>HH</mml:mtext> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mover> <mml:mrow> <mml:mi>ν</mml:mi> </mml:mrow> <mml:mrow> <mml:mo>¯</mml:mo> </mml:mrow> </mml:mover> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> events at 3 TeV, CLIC will be able to measure the trilinear Higgs self-coupling with a relative uncertainty of $$-8\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>8</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> and $$ +11\%$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>11</mml:mn> <mml:mo>%</mml:mo> </mml:mrow> </mml:math> 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 $${\text {H}\text {H}\nu \bar{\nu }}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:mtext>HH</mml:mtext> <mml:mi>ν</mml:mi> <mml:mover> <m

Topics & Concepts