[論文レビュー] Inclusive Production Cross Sections at N3LO

Julien Baglio, Claude Duhr+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ハドロン衝突装置における質量のあるゲージボソン（VH）と関連するヒッグス粒子生成の、初めての次々々次の順序（N³LO）QCD計算を提示する。N³LOの断面積計算を正確に行うための公開ソフトウェアツールn3loxsを導入し、W±HおよびZH生成の包括的な現象論的予測を提示。スケールおよびPDF不確実性を含むが、N³LO精度において、グローバルPDFセット間で顕著な1σのずれが観測された。

ABSTRACT

We present for the first time the inclusive cross section for associated Higgs boson production with a massive gauge boson at next-to-next-to-next-to-leading order in QCD. Furthermore, we introduce n3loxs, a public, numerical program for the evaluation of inclusive cross sections at the third order in the strong coupling constant. Our tool allows to derive predictions for charged- and neutral-current Drell-Yan production, gluon- and bottom-quark-fusion Higgs boson production and Higgs boson associated production with a heavy gauge boson. We discuss perturbative and parton distribution function (PDF) uncertainties of the aforementioned processes. We perform a comparison of global PDF sets for a variety of process including associated Higgs boson production and observe $1σ$ deviations among predictions for several processes.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突装置におけるW±およびZボソンと関連するヒッグス粒子生成の包括的断面積を、QCDでN³LOにまで計算すること。これは、精度の高い標準模型現象論への重要な一歩である。
• N³LOにおける包括的断面積を評価するための公開数値プログラムであるn3loxsの開発およびリリース。Drell-Yan、グルーオン融合およびボトムクォーク融合によるヒッグス生成、およびVH生成を含む、複数のプロセスに対応する。
• N³LOにおける摂動的スケール不確実性およびパートン分布関数（PDF）不確実性の評価。これにより、将来のLHCおよびHL-LHC解析のベンチマークが提供される。
• 複数のグローバルPDFセット間の予測を比較し、N³LO精度において断面積予測に顕著な1σのずれが生じることを特定。高精度QCD計算がPDF選択に極めて敏感であることを示唆する。

提案手法

• 著者らは、仮想項、実項、有理項を含む高度な固定順数摂動的QCD技術を用いて、包括的VH生成におけるN³LO QCD補正を計算した。
• n3loxsソフトウェアフレームワークを実装し、Drell-Yan、グルーオン融合およびボトムクォーク融合によるヒッグス生成、およびVH生成を含む、さまざまなプロセスにおけるN³LO断面積を数値的に評価可能とした。
• 標準的なQCDの手法に従い、動的中央スケール選択（μ₀ = MH + MW または MH + MZ）の周囲で7点のスケール変動を用いてスケール不確実性を推定した。
• PDF不確実性はPDF4LHC15_nnlo_mcセットを用いて評価され、PDF+αSおよびPDF-THの不確実性推定値を追加して、PDFおよび強い結合定数の依存性を評価した。
• コードは全断面積およびボックス断面積をサポートしており、ZおよびWボソンピーク周辺のインヴァリアント質量ウィンドウにおける微分的予測が可能である。
• 現象論的結果は、複数のセンター・オブ・マスエネルギー（7–100 TeV）で提示され、断面積および不確実性の詳細な表が含まれている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン衝突装置における質量のあるゲージボソン（W±HおよびZH）と関連するヒッグス粒子生成のN³LO QCD補正は何か？
• RQ2 スケールおよびPDF不確実性はN³LOでどのように変化するか。低次の順序と比較して、期待される収束性を示すか？
• RQ3 異なるグローバルPDFセットは、N³LOにおいてVH生成の予測をどの程度異なったものとして提示するか。高精度現象論にどのような影響を及えるか？
• RQ4 n3loxsコードは、幅広いプロセスクラスにわたるN³LO断面積の正確かつ効率的な計算をどのように可能にするか？
• RQ5 強い結合定数αSは、N³LO予測における全体の不確実性予算にどのような影響を及えるか？

主な発見

• W±HおよびZH生成の包括的断面積が、初めてN³LOで提示された。ZH生成では、√s = 7 TeVで0.218 pb、100 TeVで8.93 pbの範囲を示した。
• N³LOにおけるスケール不確実性は、低次の順序と比較して低減されており、W⁻Hでは±0.22–0.58%、ZHでは±0.15–0.48%の変動を示した。これは摂動的収束性の向上を示している。
• N³LOにおけるPDF不確実性は±1.56%から±2.59%の範囲であり、特に高エネルギーおよびW⁺H生成で最大の不確実性が観測された。
• グローバルPDFセット間で断面積予測に1σのずれが観測され、特にW⁺HおよびZHプロセスで顕著であった。これは、N³LO結果がPDF選択に極めて敏感であることを示している。
• n3loxsコードは、ZおよびWピーク周辺で0.5 GeVの小さなボックスサイズを用いたインヴァリアント質量ウィンドウにおけるボックス断面積を正確に計算でき、微分的予測が可能となった。
• PDFおよびαSの不確実性がN³LOでも依然として重要であることが確認された。特に高エネルギー領域では、PDF+αSおよびPDF-THの不確実性がスケール不確実性を上回ることが多く、顕著であった。