Producción de pares de Higgs

La producción de pares de bosones de Higgs , también conocida como producción de di-Higgs (HH), es un proceso en física de partículas relacionado con las autointeracciones del bosón de Higgs . Este proceso es esencial para comprobar la estructura del potencial de Higgs y el mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil (EWSB) .

Motivación

Después de que el bosón de Higgs fue descubierto en 2012, ^{[ 2 ]}^{[ 3 ]} los esfuerzos de investigación se centraron en explorar sus interacciones con otras partículas. Si bien muchos de estos acoplamientos han sido medidos, ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]} el autoacoplamiento del bosón de Higgs permanece sin medir. ^{[ 1 ]}^{[ 6 ]} La forma del potencial de Higgs en el Modelo Estándar (ME) incluye autoacoplamientos tanto trilineales como cuárticos, que son clave para comprender la naturaleza del campo de Higgs y EWSB.

El potencial de Higgs en el SM se describe como: ^{[ 7 ]}

V_{\text{H}}={\frac {1}{2}}{m_{\text{H}}}^{2}H^{2}+\lambda _{\text{HHH}}H^{3}+\lambda _{\text{HHHH}}H^{4}

dónde $m_{\text{H}}$ es la masa del bosón de Higgs, y $\lambda _{\text{HHH}}$ y $\lambda _{\text{HHHH}}$ son los autoacoplamientos trilineales y cuárticos. Las mediciones precisas de estos parámetros también podrían indicar la presencia de física más allá del Modelo Estándar (BSM) .

Mecanismos de producción en el LHC

En el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), los pares de bosones de Higgs se pueden producir a través de varios mecanismos:

La fusión gluón-gluón (ggF), el modo de producción dominante, se produce a través de bucles de quarks pesados (principalmente quarks top) e involucra diagramas de Feynman tanto de caja como de triángulo. La interferencia entre estos diagramas juega un papel importante.
Fusión de bosones vectoriales (FVB), donde los bosones de Higgs se irradian a partir de bosones W o Z virtuales intercambiados entre quarks.
Producción asociada con pares de quarks top (ttHH) o bosones vectoriales (VHH), que se vuelven más relevantes a energías de centro de masa más altas.

Cada mecanismo proporciona una sensibilidad diferente al autoacoplamiento de Higgs. Por ejemplo, el diagrama triangular en ggF involucra directamente el acoplamiento trilineal.

Canales de decaimiento

Los pares de bosones de Higgs pueden desintegrarse a través de varios canales. Los estados finales más sensibles experimentalmente incluyen: ^{[ 8 ]}

HH → b b b b : Tiene la fracción de ramificación más alta (~34%) pero sufre de grandes fondos de QCD.

HH → b b γγ : Baja fracción de ramificación (~0,3%) pero excelente resolución de masas debido a la identificación limpia de fotones.

HH → b b τ ⁺ τ ⁻ : Ofrece un buen compromiso entre la tasa de señal y la contaminación de fondo (~7,3% de fracción de ramificación).

Estados finales multileptónicos : Eventos con dos o más leptones de desintegraciones b b ZZ, 4V (WWWW, WWZZ, ZZZZ), VVττ, 4τ, γγVV y γγττ, con firmas leptónicas limpias que proporcionan un buen rechazo del fondo a pesar de fracciones de ramificación moderadas (~6,5% combinadas).

HH → b b ℓℓ+ E _T^miss : Estados finales semileptónicos con contribuciones de desintegraciones b b WW, b b ZZ y b b ττ. Fondos más bajos que los modos completamente hadrónicos con fracciones de ramificación razonables.

Los diferentes canales proporcionan una sensibilidad complementaria a la señal HH.

Estado experimental

La producción de pares de bosones de Higgs aún no se ha observado en el LHC. El Modelo Estándar predice una pequeña sección eficaz para la producción no resonante de HH mediante fusión gluón-gluón, aproximadamente 31 fb a una energía en el centro de masas de 13 TeV. Esta baja tasa, junto con los altos fondos en la mayoría de los canales de desintegración, dificulta la búsqueda experimental. ^{[ 8 ]}

Restricciones de autoacoplamiento de Higgs

El autoacoplamiento de Higgs $\lambda _{\text{HHH}}$ afecta directamente al diagrama triangular en la producción de ggF y al diagrama t en la producción de VBF. Los resultados experimentales imponen restricciones a este acoplamiento midiendo desviaciones en la sección transversal total y las distribuciones cinemáticas. Las restricciones actuales de las combinaciones globales de canales de desintegración muestran que el valor de autoacoplamiento $\kappa _{\lambda }=\lambda _{\text{HHH}}/\lambda _{\text{HHH}}^{\text{SM}}$ está dentro del error experimental del valor SM. ^{[ 8 ]}

Perspectivas de futuro

El próximo Gran Colisionador de Hadrones de Alta Luminosidad (HL-LHC), que se espera que proporcione hasta 3 ab ⁻¹ de datos a √ s = 14 TeV , mejorará significativamente la sensibilidad a la producción de HH. Las proyecciones combinadas más recientes de ATLAS y CMS, preparadas como entrada para la Actualización de la Estrategia Europea para la Física de Partículas de 2026, sugieren: ^{[ 9 ]}

Descubrimiento de producción HH no resonante del SM con una significancia combinada que supera 7 σ ,
Umbral de descubrimiento (5 σ ) alcanzado con 2 ab ⁻¹ de datos combinados de ambos experimentos,
Una medida de $\kappa _{\lambda }$ con una precisión superior al 30%,
Potencial de descubrimiento en ciertos escenarios más allá del Modelo Estándar (por ejemplo, autoacoplamiento mejorado o nuevas resonancias que decaen a HH).

Estas proyecciones representan una mejora significativa con respecto a la anterior Actualización de la Estrategia Europea de 2019, que proyectaba una significancia de 4 σ , por debajo del nivel de descubrimiento. Estas mejoras se deben a nuevas arquitecturas basadas en grafos para el etiquetado de jets basado en aprendizaje profundo que han mejorado la identificación de desintegraciones H → b b y H → τ ⁺ τ ⁻ en todo el espectro p _T del bosón de Higgs , incluidas topologías potenciadas donde los productos de desintegración se superponen. Los algoritmos mejorados de etiquetado de b también contribuyen a la mayor sensibilidad. Las proyecciones actualizadas del HL-LHC también incluyen sensibilidad de canales adicionales como estados finales multileptónicos (con dos o más leptones) y b b ℓℓ+ E _T^miss , que no se incluyeron en las estimaciones de 2019.

Futuros colisionadores de hadrones como el FCC-hh (100 TeV) podrían alcanzar una precisión de nivel porcentual en $\lambda _{\text{HHH}}$ y puede permitir la observación de la producción de bosones de Higgs triples (HHH), lo que restringe directamente el autoacoplamiento cuártico del bosón de Higgs. $\lambda _{\text{HHHH}}$ .

Búsquedas resonantes

También se están llevando a cabo búsquedas de partículas pesadas que se desintegran en pares de bosones de Higgs (producción resonante de HH). Dichas señales podrían provenir de nuevos bosones escalares o gravitones de Kaluza-Klein en modelos más allá del Modelo Estándar. Se han explorado rangos de masa desde unos pocos cientos de GeV hasta varios TeV, sin que se haya observado hasta ahora ningún exceso significativo.

Véase también

Referencias

1 2 3 Frederix, R.; Frixione, S.; Hirschi, V.; Maltoni, F.; Mattelaer, O.; Torrielli, P.; Vryonidou, E.; Zaro, M. (2014-05-01). "Producción de pares de Higgs en el LHC con efectos NLO y de cascada de partones" . Physics Letters B. 732 : 142–149 . arXiv : 1401.7340 . doi : 10.1016 /j.physletb.2014.03.026 . ISSN 0370-2693 .
↑ Aad, G.; Abajyan, T.; Abbott, B.; Abdallah, J.; Abdel Khalek, S.; Abdelalim, AA; Abdinov, O.; Aben, R.; Abi, B.; Abolins, M.; AbouZeid, OS; Abramowicz, H.; Abreu, H.; Acharya, BS; Adamczyk, L. (2012-09-17). "Observación de una nueva partícula en la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar con el detector ATLAS en el LHC" . Physics Letters B. 716 ( 1): 1– 29. doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020 . hdl : 10211.3/195341 . ISSN 0370-2693 .
↑ Chatrchyan, S.; Khachatryan, V.; Sirunyan, AM; Tumasyan, A.; Adam, W.; Aguilo, E.; Bergauer, T.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Fabjan, C.; Friedl, M.; Frühwirth, R.; Ghete, VM; Hammer, J.; Hoch, M. (2012-09-17). "Observación de un nuevo bosón con una masa de 125 GeV con el experimento CMS en el LHC" . Physics Letters B. 716 ( 1): 30– 61. arXiv : 1207.7235 . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.021 . hdl : 10261/108964 . ISSN 0370-2693 .
^ Tumasyan, A.; Adán, W.; Andrejkovic, JW; Bergauer, T.; Chatterjee, S.; Damanakis, K.; Dragicevic, M.; Del Valle, A. Escalante; Hussain, PS; Jeitler, M.; Krammer, N.; Lechner, L.; Liko, D.; Mikulec, I.; Paulitsch, P. (julio de 2022). "Un retrato del bosón de Higgs mediante el experimento CMS diez años después del descubrimiento" . Naturaleza . 607 (7917): 60– 68. doi : 10.1038/s41586-022-04892-x . ISSN 1476-4687 . PMC 9259501 .
↑ Aad, G.; Abbott, B.; Abbott, DC; Abeling, K.; Abidi, SH; Aboulhorma, A.; Abramowicz, H.; Abreu, H.; Abulaiti, Y.; Abusleme Hoffman, AC; Acharya, BS; Achkar, B.; Adam, L.; Bourdarios, C. Adam; Adamczyk, L. (julio de 2022). "Un mapa detallado de las interacciones del bosón de Higgs por el experimento ATLAS diez años después del descubrimiento" . Nature . 607 (7917): 52– 59. doi : 10.1038/s41586-022-04893-w . ISSN 1476-4687 . PMC 9259483 .
↑ Micco, Biagio Di; Gouzevitch, Maxime; Mazzitelli, Javier; Vernieri, Caterina (1 de noviembre de 2020). "Potencial del bosón de Higgs en los colisionadores: estado y perspectivas" . Reseñas en Física . 5 100045. doi : 10.1016/j.revip.2020.100045 . hdl : 11573/1624667 . ISSN 2405-4283 .
↑ Higgs, Peter W. (1966-05-27). "Ruptura espontánea de simetría sin bosones sin masa" . Physical Review . 145 (4): 1156– 1163. doi : 10.1103/PhysRev.145.1156 .
1 2 3 Combinación de búsquedas de ATLAS y CMS para la producción de pares de bosones de Higgs a √s=13 TeV . ATLAS-CONF-2025-012, CMS-PAS-HIG-25-014. 2025.
↑ Colaboraciones ATLAS y CMS (2025). "Aspectos destacados de las proyecciones de física del HL-LHC por ATLAS y CMS". https://arxiv.org/abs/2504.00672 .

[Frederix-2014-1] 1 2 3 Frederix, R.; Frixione, S.; Hirschi, V.; Maltoni, F.; Mattelaer, O.; Torrielli, P.; Vryonidou, E.; Zaro, M. (2014-05-01). "Producción de pares de Higgs en el LHC con efectos NLO y de cascada de partones" . Physics Letters B. 732 : 142–149 . arXiv : 1401.7340 . doi : 10.1016 /j.physletb.2014.03.026 . ISSN 0370-2693 .

[2] Aad, G.; Abajyan, T.; Abbott, B.; Abdallah, J.; Abdel Khalek, S.; Abdelalim, AA; Abdinov, O.; Aben, R.; Abi, B.; Abolins, M.; AbouZeid, OS; Abramowicz, H.; Abreu, H.; Acharya, BS; Adamczyk, L. (2012-09-17). "Observación de una nueva partícula en la búsqueda del bosón de Higgs del Modelo Estándar con el detector ATLAS en el LHC" . Physics Letters B. 716 ( 1): 1– 29. doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.020 . hdl : 10211.3/195341 . ISSN 0370-2693 .

[3] Chatrchyan, S.; Khachatryan, V.; Sirunyan, AM; Tumasyan, A.; Adam, W.; Aguilo, E.; Bergauer, T.; Dragicevic, M.; Erö, J.; Fabjan, C.; Friedl, M.; Frühwirth, R.; Ghete, VM; Hammer, J.; Hoch, M. (2012-09-17). "Observación de un nuevo bosón con una masa de 125 GeV con el experimento CMS en el LHC" . Physics Letters B. 716 ( 1): 30– 61. arXiv : 1207.7235 . doi : 10.1016/j.physletb.2012.08.021 . hdl : 10261/108964 . ISSN 0370-2693 .

[4] Tumasyan, A.; Adán, W.; Andrejkovic, JW; Bergauer, T.; Chatterjee, S.; Damanakis, K.; Dragicevic, M.; Del Valle, A. Escalante; Hussain, PS; Jeitler, M.; Krammer, N.; Lechner, L.; Liko, D.; Mikulec, I.; Paulitsch, P. (julio de 2022). "Un retrato del bosón de Higgs mediante el experimento CMS diez años después del descubrimiento" . Naturaleza . 607 (7917): 60– 68. doi : 10.1038/s41586-022-04892-x . ISSN 1476-4687 . PMC 9259501 .

[5] Aad, G.; Abbott, B.; Abbott, DC; Abeling, K.; Abidi, SH; Aboulhorma, A.; Abramowicz, H.; Abreu, H.; Abulaiti, Y.; Abusleme Hoffman, AC; Acharya, BS; Achkar, B.; Adam, L.; Bourdarios, C. Adam; Adamczyk, L. (julio de 2022). "Un mapa detallado de las interacciones del bosón de Higgs por el experimento ATLAS diez años después del descubrimiento" . Nature . 607 (7917): 52– 59. doi : 10.1038/s41586-022-04893-w . ISSN 1476-4687 . PMC 9259483 .

[6] Micco, Biagio Di; Gouzevitch, Maxime; Mazzitelli, Javier; Vernieri, Caterina (1 de noviembre de 2020). "Potencial del bosón de Higgs en los colisionadores: estado y perspectivas" . Reseñas en Física . 5 100045. doi : 10.1016/j.revip.2020.100045 . hdl : 11573/1624667 . ISSN 2405-4283 .

[7] Higgs, Peter W. (1966-05-27). "Ruptura espontánea de simetría sin bosones sin masa" . Physical Review . 145 (4): 1156– 1163. doi : 10.1103/PhysRev.145.1156 .

[ATLAS-CMS-2025-comb-8] 1 2 3 Combinación de búsquedas de ATLAS y CMS para la producción de pares de bosones de Higgs a √s=13 TeV . ATLAS-CONF-2025-012, CMS-PAS-HIG-25-014. 2025.

[9] Colaboraciones ATLAS y CMS (2025). "Aspectos destacados de las proyecciones de física del HL-LHC por ATLAS y CMS". https://arxiv.org/abs/2504.00672 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]