[論文レビュー] Higgs pair production at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy at the LHC

Daniel de Florian, Javier Mazzitelli|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるグルーオン融合によるヒッグス粒子対生成における次々-next-to-leading logarithmic (NNLL) スケーリング補正を提示する。これは、高品質なトップクォーク質量近似下での次々-next-to-leading order (NNLO) 戦略断面積と一貫してマッチングされている。補正により、14 TeV の中心系エネルギー下で包含的断面積が6.8%増加し、摂動的不確かさは±5.5%にまで低減される。結果はスケール変動に対して強く安定していることが示された。

ABSTRACT

We perform the threshold resummation for Higgs pair production in the dominant gluon fusion channel to next-to-next-to-leading logarithmic (NNLL) accuracy. The calculation includes the matching to the next-to-next-to-leading order (NNLO) cross section obtained in the heavy top-quark limit, and results in an increase of the inclusive cross section up to 7% at the LHC with centre-of-mass energy Ecm=14TeV, for the choice of factorization and renormalization scales $μ_F=μ_R=Q$, being Q the invariant mass of the Higgs pair system. After the resummation is implemented, we estimate the theoretical uncertainty from the perturbative expansion to be reduced to about +-5.5%, plus ~10% from finite top-mass effects. The resummed cross section turns out to be rather independent of the value chosen for the central factorization and renormalization scales in the usual range (Q/2,Q).

研究の動機と目的

• スケーリングに強く寄与するソフトグルーオン補正を高次にまでまとめることで、LHCにおけるヒッグス粒子対生成断面積の理論的精度を向上させること。
• 固定順序のNNLOを超える高次のQCD補正を含めることで、断面積予測の摂動的不確かさを低減すること。
• 特に高輝度LHCの文脈において、因子化および相互作用スケールの変動に対する断面積予測の安定性を評価すること。
• 有限なトップクォーク質量効果が断面積に与える影響を定量化し、その不確かさ寄与を推定すること。
• アップグレードされたLHCにおけるヒッグス自己結合定数測定に耐えうる、スケールに強く依存しない予測を提供すること。

提案手法

• グルーオン融合チャンネルにおけるヒッグス粒子対生成のスケーリング補正を、次々-next-to-leading logarithmic (NNLL) 精度まで実行する。
• Higgs-グルーオン結合を、$ C_H $ および $ C_{HH} $ の係数を含む有効理論ラグランジアンから導出する高品質トップクォーク質量近似を用いる。
• 同じ有効理論内において、補正済み断面積を正確なNNLO結果とマッチングさせ、すべての順序で一貫性を保つ。
• モーメント空間における補正を扱うためにMellin変換技術を適用し、その後物理空間に戻すために逆変換を実行する。
• 因子化スケール $ \mu_F $ と相互作用スケール $ \mu_R $ を、ヒッグス粒子対のインvariant質量 $ Q $ のまわりで変動させることで、理論的不確かさを評価する。
• 既存のNLO結果とリウェイト法を用いて有限なトップクォーク質量効果を推定し、有効理論結果に約10%の不確かさを追加する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLL精度におけるスケーリングに強く寄与するソフトグルーオン補正の大きさはどの程度か？
• RQ2 NNLL補正を含めることで、ヒッグス粒子対生成断面積のスケール依存性はどのように変化するか？
• RQ3 補正済み結果をNNLO断面積にマッチングさせることで、最終的な断面積値と不確かさにどのような影響を与えるか？
• RQ4 因子化および相互作用スケールの変動に対して、補正済み予測は固定順序結果と比べてどの程度安定しているか？
• RQ5 有効理論近似下での有限なトップクォーク質量効果による不確かさは、どの程度推定されるか？

主な発見

• NNLL補正により、$ \sqrt{s} = 14 \text{ TeV} $ および $ \mu_F = \mu_R = Q $ の下で、包含的ヒッグス粒子対生成断面積が6.8%増加した。
• 摂動的展開による理論的不確かさは、NNLOでの±8.5%からNNLLでの±5.5%に低減された。
• 補正済み断面積は中心スケールの選択にほとんど依存せず、$ \mu_0 = Q $ と $ \mu_0 = Q/2 $ の間で顕著な差が認められず、スケール安定性が向上していることが示された。
• 有限なトップクォーク質量効果は、断面積予測に約±10%の追加不確かさを寄与させた。
• 摂動的不確かさは、強い結合定数およびパートン分布関数の不確かさ（14 TeVで±7.5%と推定）を下回るようになった。
• NNLL予測は、単一ヒッグス生成のN³LO結果と整合しており、$ \mu_0 = Q $ を標準的選択として用いることの妥当性を支持する。