[論文レビュー] HNNLO: a MC program for Higgs boson production at hadron colliders

Massimiliano Grazzini|ArXiv.org|Jun 20, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ハドロン衝突加速器におけるグルーオン融合によるヒッグス粒子生成を、量子色力学（QCD）摂動理論の次々に高次の（NNLO）まで計算可能なモンテカルロプログラムHNNLOを提案する。このプログラムは、ヒッグス粒子のWW、ZZ、γγ最終状態への崩壊について、完全に排他的でカット依存の断面積および分布計算を可能にし、LHCおよびテバトロンにおける実際の実験的カット下で、スケール依存性の顕著な低減と安定性の向上を示している。

ABSTRACT

We consider Higgs boson production through gluon--gluon fusion in hadron collisions. We present a numerical program that computes the cross section up to NNLO in QCD perturbation theory. The program allows the user to apply arbitrary cuts on the momenta of the partons and of the photons or leptons that are produced in the final state. We present selected numerical results at the Tevatron and the LHC.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突加速器におけるグルーオン融合によるヒッグス粒子生成の、完全に排他的でカット依存のNNLO計算を提供すること。
• 最終状態のレプトン、光子、欠損エネルギーに対する現実的な実験的カットを組み込むことで、包括的またはジェット遮断付きの予測の限界を克服すること。
• スケール依存性の改善とMC@NLOおよび実験的効率との整合性を確認することで、理論的不確実性を低減すること。
• LHCおよびテバトロンにおけるH→WW→lνlνおよびH→ZZ→4ℓ崩壊モードのヒッグス信号強度および分布に対する高精度な予測を可能にすること。
• 正確でカットに配慮した断面積をNNLOで提供することで、高精度なヒッグス粒子性質の測定を支援すること。

提案手法

• プログラムは、セクタごとの減算法に基づく、QCDにおける完全に排他的なNNLO計算の数値的手法を実装している。
• 重いトップクォーク質量近似を用いて、ヒッグス粒子生成断面積をグルーオン-グルーオン融合を通じて計算している。
• 運動量の任意のカット（横運動量、急速度、分離条件、インヴァリアント質量、ジェット遮断など）をサポートしている。
• MRST2004の一部子分布関数を用い、$α_{\mathrm{S}}$およびPDFは、対応する(n+1)ループで評価されている（n+1次まで）。
• 正規化スケールおよび因子化スケールは、$\mu_R = \mu_F = M_H$、$M_H/2$、または$2M_H$に設定され、不確実性推定に用いられている。
• プログラムは、実験的解析との直接比較に適した、完全に排他的なイベントレベルの分布およびビンヒストグラムを出力する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的な実験的カットを適用した場合、高次のQCD補正（NLOおよびNNLO）は、ヒッグス粒子生成断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 実験的カットは、ヒッグス生成に対する摂動的QCD予測の収束性およびスケール依存性をどの程度変化させるか？
• RQ3 インクルーシブ結果と比較して、検出器に類似したカット下で、$K$-要因（高次の断面積とLO断面積の比）はどのように変化するか？
• RQ4 完全に排他的なNNLOプログラムは、MC@NLOのようなモンテカルロジェネレータで観測された実験的効率および分布を正確に再現できるか？
• RQ5 最終状態のジェット遮断およびレプトン分離カットは、LHCおよびテバトロンにおけるNNLO断面積の安定性および大きさにどのような影響を与えるか？

主な発見

• LHCにおいて$M_H = 165$ GeV、$pp$中心系エネルギー$\sqrt{s} = 14$ TeVの場合、$\mu_R = \mu_F = M_H$でNNLO断面積は15.99 fbに低下し、$K$-要因は1.11に達する。これは、カットによる強い安定化を示している。
• H \to ZZ \to 4\ell崩壊モードにおける$M_H = 200$ GeVの場合、$\mu_R = \mu_F = M_H$でNNLO断面積は2.805 fbに達し、$K$-要因は2.22に達する。カットがQCD補正の大きさに顕著な影響を与えないことが示された。
• H \to WW \to l\nu l\nuの効率は、NLOの8％からNNLOの6％に低下するが、これは厳しいカットの影響によるものである。一方、H \to ZZ \to 4\ellでは、各オーダーで約62％の高い効率を維持している。
• H \to ZZ \to 4\ellチャンネルにおける最終状態レプトンの$p_T$スペクトルは、LOを超えて摂動的不安定性を示さず、運動的限界に滑らかに近づく。
• テバトロンにおいて$M_H = 160$ GeVの場合、NNLO断面積は2.78 fbで、$K$-要因は1.77に達する。これは、カットの影響によりインクルーシブ値から顕著に低下しており、効率はNNLOで18％に低下している。
• NNLOにおいて断面積のスケール依存性は、数値積分誤差のレベルにまで低減されており、現実的なカット下で理論的堅牢性が向上していることが示された。