[論文レビュー] Electroweak and QCD corrections to Higgs production via vector-boson fusion at the LHC

M. Ciccolini, A. D enner+1 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Oct 25, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 39

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるベクトルボソン融合（VBF）によるヒッグス粒子生成における、電弱相互作用およびQCD補正の完全な次-leading-order（NLO）計算を初めて提示する。$t$-、$u$-、および$s$-チャネルの図とそれらの干渉を含む。両方の補正が顕著であることが判明した—通常5–10%であり、微分的分布に非自明な歪みを引き起こす。全NLO結果は、VBFカット下で$t/u$-チャネル近似と非常に良く一致する。

ABSTRACT

The radiative corrections of the strong and electroweak interactions are calculated at next-to-leading order for Higgs-boson production in the weak-boson-fusion channel at hadron colliders. Specifically, the calculation includes all weak-boson fusion and quark--antiquark annihilation diagrams to Higgs-boson production in association with two hard jets, including all corresponding interferences. The results on the QCD corrections confirm that previously made approximations of neglecting s-channel diagrams and interferences are well suited for predictions of Higgs production with dedicated vector-boson fusion cuts at the LHC. The electroweak corrections, which also include real corrections from incoming photons and leading heavy-Higgs-boson effects at two-loop order, are of the same size as the QCD corrections, viz. typically at the level of 5-10% for a Higgs-boson mass up to \sim 700 GeV. In general, both types of corrections do not simply rescale differential distributions, but induce distortions at the level of 10%. The discussed corrections have been implemented in a flexible Monte Carlo event generator.

研究の動機と目的

• LHCにおけるベクトルボソン融合（VBF）によるヒッグス粒子生成の、完全な次-leading-order（NLO）QCDおよび電弱補正を計算すること。
• VBF断面積予測において$s$-チャネル図および干渉を無視する一般的な近似の妥当性を評価すること。
• 実光子補正および2ループの重ヒッグス効果を含む電弱補正が、微分的分布に与える影響を評価すること。
• 素粒子物理学的応用のため、柔軟なモンテカルロイベントジェネレータに全計算を実装すること。
• ヒッグス粒子質量が700 GeVまでに及ぶ場合の断面積および分布予測における理論的不確かさを定量化すること。

提案手法

• 前例となるヒッグス崩壊計算と類似の設定を用いて、$t$-、$u$-、$s$-チャネル図およびすべての干渉を含む、完全なNLO QCD補正の計算を実施する。
• すべての寄与を体系的に処理できるように、NLO QCD補正を4つの異なるカテゴリーに分類する。
• 実補正（初期状態の光子からの寄与）およびPDFのDGLAP進化によるQED効果を含む、NLOでの電弱補正を組み込む。
• 重ヒッグス粒子に対して、$G_\mu^2 M_{\mathrm{H}}^4$に比例する2ループの主要な電弱補正を、参考文献[23]の結果を用いて組み込む。
• 全計算を柔軟なモンテカルロイベントジェネレータに実装し、統合断面積および微分的分布の両方を計算する。
• 標準的な$t/u$-チャネル近似との比較を行い、通常のVBF選択カット下での一致度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 VBFヒッグス生成において、$s$-チャネル図および干渉を含めた場合、NLO QCD補正はどの程度顕著か？
• RQ2 広いヒッグス質量範囲にわたり、実光子寄与および2ループの重ヒッグス効果を含むNLO電弱補正の大きさと符号は何か？
• RQ3 QCDおよび電弱補正が、横運動量、急速度、方位角差、およびジェットインvariant質量といった微分的分布にどの程度歪みを引き起こすか？
• RQ4 現実的なVBF選択カット下で、標準的な$t/u$-チャネル近似は全NLO QCD結果をどの程度よく再現するか？
• RQ5 高次の項が欠落していることを推定した場合、全NLO補正を含めた断面積および分布予測における理論的不確かさは何か？

主な発見

• 全NLO QCD補正において、$s$-チャネル図および干渉を含めた場合、通常のVBFカット下では、$t/u$-チャネル近似と0.1%未満の差で一致する。
• NLO電弱補正はQCD補正と同程度の大きさ—通常5–10%—であり、$M_{\mathrm{H}} < 200\,\mathrm{GeV}$では負であるが、$M_{\mathrm{H}} = 700\,\mathrm{GeV}$では+7%に増加する。
• 電弱補正は微分的分布に10%レベルの非自明な歪みを引き起こし、単に分布をスケーリングするだけではない。
• $M_{\mathrm{H}} \gtrsim 400\,\mathrm{GeV}$では、ヒッグス幅が十分に大きくなり、オンシェル近似が破綻し、オフシェル効果を含める必要がある。
• $M_{\mathrm{H}} = 700\,\mathrm{GeV}$では、2ループの主要な重ヒッグス補正が1ループ補正と同程度の大きさに達し、摂動論の破綻を示唆する。この効果は、欠落した高次の項の不確かさを推定するのに利用可能である。
• 全断面積の理論的不確かさは、$M_{\mathrm{H}} = 100$–$200\,\mathrm{GeV}$では1–2%と推定され、PDFによる不確かさが追加で3.5%存在する。