[論文レビュー] Expected Precision of Higgs Boson Partial Widths within the Standard Model

G. Peter Lepage, Paul B. Mackenzie+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 20

ひとこと要約

この論文は、強い結合定数 αₛ および重いクォーク質量（m_b, m_c）の改良された格子QCD計算を通じて、ヒッグスボソンの部分幅に対する標準模型の予測がパーツ・パー・ミルの精度に達する可能性を主張している。これは、現在の実験的限界以下のパrametric誤差を実現する。4次までのQCD摂動論および0.03 fm未満の格子スケールを用いることで、H→bb̄、H→cc̄、H→gg の崩壊における理論的誤差は0.1%未満に低下し、国際線形衝突型（ILC）の測定目標と一致または上回る。

ABSTRACT

We discuss the sources of uncertainty in calculations of the partial widths of the Higgs boson within the Standard Model. The uncertainties come from two sources: the truncation of perturbation theory and the uncertainties in input parameters. We review the current status of perturbative calculations and note that these are already reaching the parts-per-mil level of accuracy for the major decay modes. The main sources of uncertainty will then come from the parametric dependences on alpha_s, m_b, and m_c. Knowledge of these parameters is systematically improvable through lattice gauge theory calculations. We estimate the precision that lattice QCD will achieve in the next decade and the corresponding precision of the Standard Model predictions for Higgs boson partial widths.

研究の動機と目的

• 標準模型を超える新しい物理を検出するためには、ヒッグスボソンの部分幅予測において1%未塔の理論的精度が不可欠であるという緊急のニーズに対処する。
• ヒッグス崩壊幅計算における理論的誤差の主な要因として、αₛ、m_b、m_c のパラメトリック誤差を特定する。
• 格子QCDシミュレーションが、将来の高精度実験の要請を満たすために、αₛおよび重いクォーク質量の精度を体系的に向上させられることを示す。
• 格子QCDおよび摂動QCDの進展に基づいて、今後10年間におけるヒッグス部分幅予測の達成可能な精度を予測する。
• 理論的不確実性を、国際線形衝突型（ILC）の期待される実験的不確実性以下にまで低下させることで、モデルに依存しない新しい物理の発見を可能にする。

提案手法

• ヒッグススケールにおけるMS̄スキームでのQCD結合定数 αₛ および重いクォーク質量（m_b, m_c）を、格子QCDシミュレーションにより決定する。
• 格子QCDにおける擬スカラー密度相関関数のモーメントを用いて、αₛ、m_b、m_c を高精度で抽出する。
• 格子スケールの縮小（0.023 fmまで）、4次までのQCD摂動論の導入、統計精度の向上（100倍の統計量）を想定して、将来の改善を予測する。
• αₛ、m_b、m_c の不確実性をヒッグス崩壊幅の式に伝播させ、H→bb̄、H→cc̄、H→gg、H→ττ̄、H→WW*、H→ZZ* の部分幅への影響を推定する。
• 部分幅の総不確実性を推定する際に、パrameter誤差の相関を考慮する。
• 予測された理論的誤差を、ILCの目標とする実験的精度（H→bb̄ 0.3%、H→cc̄ および H→γγ 0.7%）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準模型におけるヒッグスボソン部分幅予測の理論的不確実性の主な要因は何か？
• RQ2 格子QCDは、αₛおよび重いクォーク質量（m_b, m_c）の精度をどの程度向上させられるか？
• RQ3 格子QCDおよび摂動QCDの改善によって、ヒッグス部分幅の理論的不確実性をパーツ・パー・ミルレベルにまで低下させられるか？
• RQ4 予測された理論的不確実性は、国際線形衝突型（ILC）のヒッグスカップリングに対する期待される実験的精度とどのように比較されるか？
• RQ5 ヒッグス部分幅予測の精度を0.1%未塔にまで高めるために、どのような格子QCDの改善（例：より細かいスケール、より高い統計量、高次の摂動論）が必要か？

主な発見

• 現在のヒッグス部分幅の理論的不確実性は数パーセントレベルであるが、摂動QCDおよび格子QCDの改善によりパーツ・パー・ミルレベルにまで低下させられる。
• 格子スケール0.023 fmの格子QCDシミュレーションにより、ヒッグスカップリングのパrametric誤差は0.1%未満にまで低下し、H→bb̄、H→cc̄、H→gg の崩壊で0.1%未塔の精度が達成される。
• 4次までのQCD摂動論を導入することで、パrametric誤差は予想されるILC実験誤差のおよそ半分にまで低下する。
• 格子統計量を100倍に増加させても、誤差の低下はわずかにとどまり、これにより、より細かい格子スケールおよび高次の摂動論がより重要であることが示された。
• H→bb̄ の予測された理論的不確実性（0.09%）は、ILCの目標とする実験的不確実性（0.30%）を下回っており、理論的誤差が将来の高精度測定を制限しないことを意味する。
• 本研究は、格子QCDが、パーツ・パー・ミルレベルの精度を実現するためのαₛおよび重いクォーク質量の必要十分な精度を提供可能であり、ILCの目標を満たすか、それを上回る可能性を結論づけている。