[論文レビュー] Higgs boson production in association with a jet at NNLO using jettiness subtraction

Radja Boughezal, Christfried Focke+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 51

ひとこと要約

本稿では、QCDにおける赤外特異性を処理するための新規手法であるjettiness subtraction方式を用いて、ハドロン衝突におけるジェットを伴うヒッグス粒子生成の完全な次々次の次オーダー（NNLO）計算を提示する。著者らはグルーオン初期状態のチャネルについて、以前の結果を確認し、クォーク初期状態の過程を含めた計算を拡張したが、その効果は最小限にとどまることがわかった。結果は、先行計算と良好に一致しており、NNLOにおける摂動級級数が良好に制御されており、スケール不確かさが低減され、各オーダーで分布が安定していることが示された。

ABSTRACT

We use the recently proposed jettiness-subtraction scheme to provide the complete calculation of Higgs boson production in association with a jet in hadronic collisions through next-to-next-to-leading order in perturbative QCD. This method exploits the observation that the $N$-jettiness event-shape variable completely describes the singularity structure of QCD when final-state colored particles are present. Our results are in agreement with a recent computation of the $gg$ and $qg$ partonic initial states based on sector-improved residue subtraction. We present phenomenological results for both fiducial cross sections and distributions at the LHC.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突におけるヒッグス粒子生成とジェットの関連生成の完全なNNLO QCD計算を提供すること。この計算には、すべての部分粒子初期状態を含む。
• 新たに提案されたjettiness subtraction方式が、最終状態のジェットを伴う過程における赤外特異性を処理する一般的手法として適用可能であるかを検証すること。
• $gg$ および $qg$ 初期状態に限定された以前のNNLO結果を確認し、初めてこのオーダーでクォーク初期状態のチャネルを含めた拡張を行うこと。
• LHCにおける物理的断面積とヒッグス粒子および主要ジェットの運動量分布について、詳細な素性予測を提示すること。
• NNLO補正が、ヒッグス＋ジェット生成における理論的不確かさと摂動級級数の安定性に与える影響を評価すること。

提案手法

• jettiness subtraction方式が用いられ、$N$-ジェットネス変数 $\mathcal{T}_N$ を用いて、最終状態のジェットに由来する赤外特異性を分離・減算する。
• この手法は、ハード関数、ビーム関数、ソフト関数、ジェット関数への断面積の因子分解に基づくもので、$\mathcal{T}_1$ が $H$+ジェット過程におけるグローバルな赤外正規化子として機能する。
• 減算項は、実際の放射の振幅における特異性構造を再現するように構築されており、NNLOにおける有限かつ赤外安全な計算を可能にする。
• 計算は $\overline{\text{MS}}$ スケームを用い、$\alpha_s$ はスケール $\mu = m_H$ で評価され、PDFは各摂動オーダーでNNPDF3.2を用いる。
• 既知の文献結果（特に、セクター改善型残留減算を用いた最近の $gg$ および $qg$ チャネル計算）と照合され、妥当性が確認された。
• 数値結果は $\overline{\text{MS}}$ スケームおよびNNPDF3.2 PDFセットを用い、理論的不確かさの推定にはスケール変動が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 jettiness subtraction方式は、ヒッグス粒子生成とジェットを伴う非自明なQCD過程に成功裏に適用可能であるか？
• RQ2 NNLOにおけるクォーク初期状態の部分粒子チャネルの含め方が、ヒッグス＋ジェット生成に与える素性的影響は何か？
• RQ3 NNLO補正は、LHCにおけるヒッグス粒子および主要ジェットの物理的断面積と運動量分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 NNLO補正は、低オーダーと比較して摂動級級数の安定性を高め、理論的不確かさをどの程度低減するか？
• RQ5 異なる減算方式（例：セクター改善型残留減算）に基づく以前の計算と比較して、本結果は定量的にどの程度一致するか？

主な発見

• 物理的断面積としてのヒッグス生成断面積は、$\mu = m_H$ の中央スケール選択のもとでNNLOで $5.5^{+0.3}_{-0.4}$ pb であり、低オーダーと比較してスケール不確かさが低減されている。
• NNLOにおけるクォーク初期状態チャネルの含め方は、物理的領域内では合計断面積に1.5%未満の寄与にとどまり、素性的影響は最小限である。
• 主ジェットの急速度分布に対するNLO補正は、中央領域では $|Y^{\text{jet}}| = 2.5$ に近い領域よりも10–20%大きいが、NNLO補正は平坦であり、NLOのスケール変動帯内に完全に収まっている。
• ジェットの運動量 $p_T^{\text{jet}}$ 分布では、LOからNLO、NLOからNNLOへの $K$-要因が減少しており、NNLO結果はNLOのスケール変動帯内に含まれている。
• ヒッグスの横方向運動量分布では、NLOで $p_T^H = 60$ GeV 付近で $K$-要因が40–120%に達するが、中央スケール選択 $\mu = m_H$ ではNNLOで最大20%にまで低下する。
• $p_T^{\text{jet}}$ および $p_T^H$ 分布の両方において、NNLO補正は、セクター改善型残留減算を用いた以前の $gg$ および $qg$ チャネル計算の結果と良好に一致している。