[論文レビュー] Higgs boson suppression in quark-gluon matter

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

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、現実的な流体力学的モデルと高精度の断面積計算を用いて、高密度のクォーク-グルーオン物質におけるヒッグス粒子の抑制を調査している。中間子における最終状態相互作用がグルーオンおよびクォーク-反クォークチャンネルを通じてヒッグス崩壊を強化し、特にLHCおよびFCCエネルギーでの中央部PbPb衝突において、検出可能なヒッグス粒子の生成断面積が10–20％減少することを明らかにした。これは特に50 GeV未満の横運動量を持つ場合に顕著である。

ABSTRACT

The final-state interactions of the Higgs boson in a dense quark-gluon medium are studied. Typical Higgs--parton scattering cross sections are found to be $\sigma_{Hqg}\approx$ 1--100 $\mu$b in the kinematical range of relevance at current and future hadron colliders. In-medium scatterings effectively lead to an enhancement of the Higgs decays into a pair of jets, mostly via $g\,H o\,g\,g,Q\,\bar{Q}$, and thereby to a depletion of its visible yields in the $H o\gamma\gamma,Z\,Z^*(4\ell)$ discovery channels compared to the accurate theoretical predictions for its production and decay in the absence of final-state interactions. By embedding Higgs bosons, with transverse momentum distributions computed at NNLO+NNLL accuracy, in an expanding quark-gluon medium modeled with 2D+1 viscous hydrodynamics with various QCD equations of state, we present realistic estimates of their suppressed yields as functions of transverse momentum $p_T^{H}$, and medium space-time size in pp, pPb, and PbPb collisions at LHC and FCC energies. A 10--20\% depletion of yields is expected in central PbPb collisions, mostly for $p_T^{H}\lesssim 50$ GeV.

研究の動機と目的

• 最終状態相互作用が高密度のクォーク-グルーオン物質におけるヒッグス粒子検出に与える影響を定量化すること。
• 現実的な流体力学的進化を用いて、重イオン衝突におけるヒッグス粒子生成断面積の抑制をモデル化すること。
• 物質中に誘導される崩壊チャンネルの増幅が、$\gamma\gamma$、$ZZ^*$、および$4\ell$チャンネルにおける観測可能なヒッグス信号に与える影響を評価すること。
• LHCおよびFCCエネルギー下でのpp、pPb、PbPb衝突における、運動量空間に解像度をもたせた正確なヒッグス生成断面積抑制の推定値を提供すること。

提案手法

• 重イオン衝突における膨張するクォーク-グルーオン媒体を2次元＋1次元の粘性流体力学を用いてモデル化する。
• 初期状態の運動量の正確な記述を確保するため、Higgs粒子の横運動量分布にNNLO+NNLL計算を適用する。
• 物質内での相互作用に関連するHiggs-パートン散乱断面積（$\sigma_{Hqg} \approx$ 1–100 $\mu$b）を計算する。
• 物質内でのヒッグス崩壊を$gg$、$q\bar{q}$、および他のジェット最終状態にモデル化し、分岐比の増幅を模擬する。
• ヒッグス粒子を物質内に埋め込み、$p_T^H$および物質サイズの関数としての生成断面積の抑制を追跡する。
• 結果の頑健性を評価するため、複数のQCD状態方程式を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高密度のクォーク-グルーオン媒体内での最終状態相互作用が、$\gamma\gamma$、$ZZ^*$、および$4\ell$崩壊チャンネルにおけるヒッグス粒子の検出可能性にどのように影響するか？
• RQ2 LHCおよびFCCエネルギー下での中央部PbPb衝突におけるヒッグス粒子生成断面積の抑制の程度は何か？
• RQ3 抑制はヒッグス粒子の横運動量（$p_T^H$）および物質サイズにどのように依存するか？
• RQ4 ジェットへのヒッグス崩壊の物質誘導的増幅が、生成断面積の減少にどの程度寄与するか？
• RQ5 異なるQCD状態方程式は予測される抑制率にどのように影響するか？

主な発見

• クォーク-グルーオン媒体内での最終状態相互作用が、$gH \to gg$および$q\bar{q}$過程を通じてヒッグス崩壊をジェットへと強化する。
• 増幅された崩壊分岐比が、$\gamma\gamma$、$ZZ^*$、および$4\ell$チャンネルにおける観測可能なヒッグス信号の顕著な減少を引き起こす。
• 中央部PbPb衝突において、ヒッグス粒子生成断面積は10–20％抑制されることが予想され、主に$p_T^H \lesssim 50$ GeVの領域で顕著である。
• 抑制は低横運動量領域で顕著であり、物質サイズおよび密度が増加するにつれて強まる。
• 結果は異なるQCD状態方程式に対して頑健であり、現実的な流体力学的進化モデルと整合的である。
• 物質内でのHiggs-パートン散乱断面積は$\sigma_{Hqg} \approx$ 1–100 $\mu$bと推定され、強い物質内相互作用を示唆している。