[論文レビュー] Improved Predictions for Higgs Q_T at the Tevatron and the LHC

Qing-Hong Cao, Chuan-Ren Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、ResBosモンテカルロプログラムを用いて、次々に次々に-leading (NNLO) 固定順計算と、再結合されたソフトグルーオン補正をマッチングさせることで、テバトロンおよびLHCにおけるグルーオン融合におけるヒッグス粒子の横運動量（$Q_T$）分布を改善している。新しい計算により、高 $Q_T$ における $Q_T$ スペクトルが増加し、小 $Q_T$ における発散が低減され、全断面積がNNLO予測とより良好に一致するようになり、ヒッグス信号探索の精度が向上する。

ABSTRACT

The search for the Higgs boson at the Tevatron and the LHC relies on detailed calculations of the kinematics of Higgs boson production and decay. In this paper, we improve the calculation of the distribution in transverse momentum, $Q_T$, of the Higgs boson in the gluon fusion production process, $gg o H$, by matching the resummed distribution at small $Q_T$ with the ${\cal O}(α_{s}^4)$ fixed-order perturbative calculation at high $Q_T$ in the ResBos Monte Carlo program. The distribution is higher at large $Q_T$ than with the old ${\cal O}(α_{s}^3)$ fixed-order perturbative calculation, and the matching with the resummed calculation is much smoother. The total cross section is also increased, more in line with next-to-next-to-leading-order calculations. We also study the effect of the new calculation on the distribution of $Δϕ_{\ell\ell}$ in the overall process $gg o H o W^{+} W^{-} o\ell^{+}\ell^{-}ν\barν$, and the effect of PDF uncertainties on the distributions at the Tevatron and the LHC.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突装置におけるグルーオン融合におけるヒッグス粒子の横運動量（$Q_T$）分布の理論的予測を改善すること。
• 小 $Q_T$ におけるソフトグルーオン放射による固定順摂動理論の発散を解消すること。
• ${\cal O}(\alpha_s^4)$ 固定順計算と再結合されたソフトグルーオン補正をマッチングさせ、滑らかで正確な $Q_T$ スペクトルを実現すること。
• 改善された $Q_T$ 分布が、$H \to W^+W^- \to \ell^+\ell^-\,\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\nolimits$ 衰変チャネルにおける $\Delta\phi_{\ell\ell}$ 分布に与える影響を評価すること。
• CTEQ6.6MおよびCT09 PDFセットを用いて、PDFの不確実性とスケール依存性がテバトロンおよびLHCにおける全断面積および $Q_T$ 分布に与える影響を評価すること。

提案手法

• 著者らは、ResBosモンテカルロプログラムを用いて、${\cal O}(\alpha_s^4)$ 固定順摂動計算と小 $Q_T$ における再結合分布をマッチングさせた。
• 小 $Q_T$ における大きな対数 $\ln(Q/Q_T)$ を取り扱うために、コリンズ＝ソーパー＝スターマン（CSS）形式を用いてソフトグルーオンの再結合を適用した。
• 高 $Q_T$ における固定順結果と再結合分布をマッチングさせることで、$Q_T$ スペクトル全体にわたる滑らかな遷移を確保した。
• 改善された予測の妥当性を検証するため、全断面積をNNLO計算と比較した。
• PDFの不確実性は、CTEQ6.6MおよびCT09 PDFセットを用いて評価され、CTEQ6.6Mパッケージの44個のPDFセットから得られた誤差帯が用いられた。
• スケール依存性は、$\mu_R = \mu_F$ を $\mu_0/4$ から $2\mu_0$ まで変化させることで調べた。ここで $\mu_0 = m_H$ である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ${\cal O}(\alpha_s^4)$ 固定順計算と再結合されたソフトグルーオン補正をマッチングさせることで、グルーオン融合におけるヒッグス粒子の $Q_T$ 分布はどのように改善されるか？
• RQ2 改善された $Q_T$ スペクトルは、$H \to W^+W^- \to \ell^+\ell^-\,\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\nolimits$ 衰変チャネルにおける $\Delta\phi_{\ell\ell}$ 分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 PDFの不確実性とスケール依存性は、テバトロンおよびLHCにおける全断面積および $Q_T$ 分布にどのように影響を与えるか？
• RQ4 従来の ${\cal O}(\alpha_s^3)$ 固定順計算と比較して、$Q_T$ スペクトルの滑らかさと正確さはどのように向上したか？
• RQ5 全断面積および $Q_T$ 形状の点で、新しい予測はNNLO計算とどのように一致するか？

主な発見

• 改善された $Q_T$ 分布は、従来の ${\cal O}(\alpha_s^3)$ 固定順計算と比較して、高 $Q_T$ において顕著に高い値を示す。
• 再結合分布と固定順計算のマッチングにより、$Q_T \sim 0$ の近傍を含め、$Q_T$ スペクトル全体にわたる滑らかな遷移が実現された。
• 全断面積は上昇し、次々に次々に-leading (NNLO) QCD計算とより良好に一致するようになった。
• LHC（14 TeVセンター・オブ・マスエネルギー）では、$100~{}\mathrm{GeV} \leq m_H \leq 600~{}\mathrm{GeV}$ の範囲で、ヒッグス粒子生成断面積のPDF不確実性が5%未満にまで低下した。
• テバトロンでは、PDF不確実性は依然として大きく、$100~{}\mathrm{GeV} \leq m_H \leq 200~{}\mathrm{GeV}$ の範囲で最大14%に達したが、更新されたCT09 PDFセットの使用により低減された。
• スケール依存性がPDF不確実性を上回り、スケールを $\mu_0/4$ から $2\mu_0$ に変化させた際、テバトロンでは断面積が最大+40%、LHCでは最大+20%変動した。