[論文レビュー] Next-to-Leading Order Corrections to Higgs Boson Pair Production in Gluon Fusion

Matthias Kerner|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、SecDecを用いた数値的二ループ積分により、全頂クォーク質量依存性を含むグルーオン融合におけるヒッグス粒子対生成の次-leading order (NLO) QCD計算を提示する。結果は、重い頂クォーク近似と比較して全断面積が14%低減していることを示しており、特に高いインvariant質量領域では最大30%の顕著な偏差が生じており、LHCの予測を正確にするために頂クォーク質量効果を含める必要があることを強調している。

ABSTRACT

We present a calculation of the next-to-leading order QCD corrections to the production of Higgs boson pairs in gluon fusion keeping the full dependence on the mass of the top quark. The virtual corrections, involving two-loop integrals with up to four mass scales, have been calculated numerically and we present an efficient algorithm to obtain accurate results of the virtual amplitude using numerical integrations. Taking the top quark mass into account we obtain significant differences compared to results obtained in the heavy top limit.

研究の動機と目的

• 全頂クォーク質量依存性を含むグルーオン融合におけるヒッグス粒子対生成の次-leading order QCD補正を計算すること。
• 頂クォーク質量が支配的エネルギースケールでない領域では性能が劣る重い頂クォーク近似の限界を解消すること。
• 複数の質量スケールを持つ二ループ振幅を評価するための数値的フレームワークを構築・検証すること。
• 将来の自動化ツールにおけるマルチループ振幅計算のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 仮想振幅は、SecDecプログラムとのインターフェースを介して数値的に計算され、最大4つの質量スケールを持つ二ループ積分の統合が可能になっている。
• フェ Feynman 図はQgrafにより生成され、Formを用いて形式因子へ射影され、Reduzeを用いてマスターレジームに削減され、削減過程では質量スケールをmt = 173 GeVおよびmh = 125 GeVに固定している。
• 非平面的テンソル積分はスカラー積の形に書き直され、数値的評価が可能となり、合計327個の積分（クロッシング変種を含む）が得られた。
• 動的サンプリング点調整を施した準モンテカルロ積分アルゴリズムが、高精度での仮想振幅計算に用いられている。
• 第二の実装との比較およびHEFTと1/m_t^2展開結果との比較を通じて、計算の妥当性が検証されている。
• スケール不確かさは、μRおよびμFをμ = mhh/2の周囲で2倍に変化させることで推定されている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全頂クォーク質量効果は、重い頂クォーク近似と比較して、グルーオン融合におけるヒッグス粒子対生成のNLO断面積にどのように影響するか？
• RQ2 ボーン補正を施したヒッグス効果的場理論（HEFT）は、高いインvariant質量領域や横方向運動量領域の微分断面積をどの程度正しく記述できないか？
• RQ3 解析的解が得られない場合に、数値的二ループ積分技術が仮想振幅を正確に捉えられるか？
• RQ4 NLO補正は、特に頂クォークの閾値近傍のフェーズスペース領域でどのように変化するか？
• RQ5 頂クォーク質量効果は、全断面積および微分断面積のK要因にどの程度定量的に影響を与えるか？

主な発見

• 全NLO断面積は32.90+14%−13% fbであり、HEFT近似の38.32 fbと比較して14%低減している。
• 高いインvariant質量領域（mhh > 400 GeV）では、頂クォーク質量効果によりHEFT結果と比較して断面積が20–30%低減している。
• K要因（NLO/LO）は高mhh領域で顕著に低下するが、HEFT近似ではK要因が増加しており、この領域における近似の崩壊を示している。
• NLO結果では横方向運動量分布においてK要因がほぼ一定であるのに対し、HEFT近似では高pT,h領域で補正を過剰に評価している。
• 1/m_t^2展開は、頂の閾値未満（mhh < 2mt）では全振幅に収束するが、より高いインvariant質量領域では振幅を正確に記述できない。
• 数値的に計算された仮想振幅は、低mhh領域では1/m_t^2展開とよく一致するが、高mhh領域では乖離し、全頂クォーク質量依存性の重要性を確認している。