[論文レビュー] Final-state interactions of the Higgs boson in quark-gluon matter

D. d’Enterria, C. Loizides|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、有限温度QCD場理論を用いて、クォーカー・グルーオンプラズマ（QGP）におけるヒッグスボソン最終状態相互作用を再評価し、従来無視されていた熱的仮想補正が、物質に起因する実の放出・吸収効果を相殺することを示している。その結果、LHCおよびFCC衝突におけるヒッグスボソンの抑制は無視できるほど小さく、部分幅は (T/mH)⁴に比例するため、約10⁻⁶から10⁻⁸の程度にしか変化しない。これは、先行する摂動的QCD計算に基づく予測との矛盾を解消するものである。

ABSTRACT

In the first version of this paper \cite{dEnterria:2018bqi}, we presented a study of the final-state interactions of the Higgs boson in the hot and dense quark-gluon systems produced in pp, pPb, and PbPb collisions at CERN LHC and FCC energies. By computing the leading-order diagrams of the Higgs-parton scattering cross sections in perturbative QCD, and by embedding the produced Higgs bosons in an expanding quark-gluon medium modeled with 2D+1 viscous hydrodynamics with various QCD equations of state, we presented estimates of the expected scalar boson yields as functions of transverse momentum $p_{ m T}^{H}$, and produced medium space-time size. A moderate suppression of the scalar boson yields was predicted due to medium-enhanced $H o gg,q\bar{q}$ decays, in detriment of the $H oγγ, 4\ell$ channels that are typically used to observe the Higgs particle. After our work appeared, J. Ghiglieri and U. Wiedemann \cite{Ghiglieri:2019lzz} have presented thermal-field-theory calculations that indicate that the $H o gg,q\bar{q}$ partial decays widths remain basically unaffected by interactions with surrounding partons in the kinematic range of relevance of our study. Such a theoretical result, in contradiction with our estimates, has brought us to revisit our calculations and to realize of the quantitative importance of thermal virtual corrections, neglected in our first work, that are as large as the real ones and of opposite sign. Such virtual corrections significantly reduce the Higgs-parton "absorption" cross sections originally computed in Ref. \cite{dEnterria:2018bqi}, and make the Higgs boson suppression negligible in the kinematic regime considered.

研究の動機と目的

• 従来の摂動的QCD計算で予測されたクォーカー・グルーオンプラズマにおけるヒッグスボソンの顕著な抑制と、新しい熱場理論計算で得られた結果との間にある矛盾を解消すること。
• 高温のQGP中におけるヒッグスボソン崩壊（H→gg、H→q̄q）における熱的仮想補正の役割を調査すること。
• LHCおよびFCCエネルギーにおけるpp、pPb、PbPb衝突において、物質強化されたヒッグス・パートン散乱および崩壊過程が、ヒッグスボソンの生成断面積に顕著に影響を与えるかどうかを評価すること。
• 有限温度場理論におけるオペレータ積展開（OPE）結果と、一次摂動的QCD計算との乖離を解明すること。
• コライダー実験に関連する運動論的領域において、熱的補正がヒッグス部分崩壊断面積に与える定量的影響を特定すること。

提案手法

• 有限温度量子色力学におけるオペレータ積展開（OPE）を用いて、ヒッグス部分崩壊断面積に対する熱的補正を計算する。
• 3つの寄与クラスを計算する：実放出（例：H→ggg）、実吸収（例：gH→gg）、真空振幅と干渉する熱的仮想補正。
• 光るクォークを除くクエンチド近似を適用することで、計算を単純化するとともに、主要な赤外キャンセレーション機構を保持する。
• 温度依存性を、δΓ/Γ ≈ καs(T/mH)⁴のスケーリングにより評価し、|κ| ≈ 30–400とする。
• OPEに基づく熱場理論の結果と、実過程のみを含み、高次の補正を補正するためのK要因を導入した、従来の一次摂動的QCD推定値とを比較する。
• 実寄与と仮想寄与の発散項の間の相互作用を分析し、摂動論的理論の一次にまで、そのキャンセレーションが成立することを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高温のQGP中におけるヒッグスボソン崩壊断面積に、熱的仮想補正が顕著に影響を与えるか。もし与えるならば、重イオン衝突における予測された抑制にどのように影響するか？
• RQ2 なぜ従来の一次摂動的QCD計算ではQGPにおける測定可能なヒッグス抑制を予測しているのに対し、熱場理論計算ではその効果が無視できるほど小さいのか？
• RQ3 高温のQGP中におけるヒッグス部分崩壊断面積H→ggおよびH→q̄qの定量的温度依存性は何か。また、T/mHにどのように依存するか？
• RQ4 ヒッグス崩壊における実放出、実吸収、仮想補正がどのように干渉し合い、その総合的な効果が中間状態における全崩壊断面積に与える影響は何か？
• RQ5 すべての寄与（仮想項を含む）を一貫して含めた場合、物質に修正されたヒッグス散乱過程における赤外発散がどの程度キャンセレーションされるか？

主な発見

• ヒッグス・パートン散乱における熱的仮想補正は、実放出・吸収過程と同程度の大きさだが、符号が逆であるため、強いキャンセレーションが生じる。
• ヒッグス部分崩壊断面積Γ(H→gg)およびΓ(H→q̄q)に対する物質の全補正は、δΓ/Γ ≈ καs(T/mH)⁴（|κ| ≈ 30–400）に比例し、LHCに相当する温度では、変化量がわずか約10⁻⁶から10⁻⁸にとどまる。
• pp、pPb、PbPb衝突におけるLHCおよびFCCの運動論的領域において、クォーカー・グルーオンプラズマ中でのヒッグスボソンの抑制は、予測されるほど顕著ではなく、無視できるほど小さい。
• OPEフレームワーク内ですべての項を一貫して含めることで、実寄与と仮想寄与の間の赤外発散がキャンセレーションされ、有限で物理的な結果が得られる。
• (T/mH)⁴のスケーリングから、ヒッグス崩壊の顕著な変化は、電弱転移付近（T ≈ mH）でのみ発生する可能性があり、これは現在のコライダー実験では到達できない。
• 従来の摂動的QCD推定値（Higgs-パートン散乱断面積σ ≈ 1–50 μb）と、新しい場理論的結果との乖離は、熱的仮想補正が欠落していたことに起因し、赤外有限性と物理的正確性を確保するには不可欠である。