[論文レビュー] RG improved Higgs boson production to N$^3$LO in QCD

Taushif Ahmed, Goutam Das+3 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、グルーオン融合におけるヒッグス粒子生成断面積の大きな対数を再結合するための新しい重縮重み（RG）改善手法を提案する。この手法により、理論的精度が著しく向上し、反応スケールの不確かさが大幅に低減される。摂動QCDにおけるすべての順序でRGに起因する対数を体系的に再結合することで、固定順序N³LOにおける反応スケール不確かさを27％から、広い反応スケール範囲でわずか1.5％にまで低減する。これは、LHC物理学における理論的精度の向上に寄与する。

ABSTRACT

The recent result on the third order correction to the Higgs boson production through gluon fusion by Anastasiou et al. [1] not only provides a precise prediction with reduced scale uncertainties for studying the Higgs boson properties but also establishes the reliability of the perturbative QCD. In this letter, we propose a novel approach to further reduce the uncertainty arising from the renormalization scale by systematically resumming the renormalization group (RG) accessible logarithms to all orders in the strong coupling constant. Our numerical study based on this approach, demonstrates a significant improvement over the fixed order predictions.

研究の動機と目的

• グルーオン融合におけるヒッグス粒子生成断面積の固定順序N³LO予測における残余の反応スケール依存性を低減すること。
• 反応スケールの大きな対数を、重縮重み不変性を用いてすべての順序で体系的に再結合すること。
• アップグレードされたLHCにおけるヒッグス粒子性質の研究の理論的精度を向上させること。
• 摂動QCDの頑健性を示すために、すべての順序での再結合によって反応スケール不確かさを最小限に抑えること。
• トップクォーク対生成やマルチジェット生成などの他の高エネルギー過程に適用可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• ヒッグス粒子断面積の重縮重み（RG）不変性を用いて、反応スケールの大きな対数をすべての順序で再結合する摂動展開を導出する。
• 断面積を強い結合定数のべき級数として表現し、その係数はRG発展とβ関数係数に従う。
• β関数と低次のRG係数を用いて、各順序における対数係数の再帰的関係を導出する。
• 参照スケールμ₀を用いて有効断面積のRG方程式を解き、対数項の体系的再結合を可能にする。
• 再結合された断面積をLHCの中心系エネルギーに適用し、固定順序予測と反応スケール依存性を比較する。
• 広い反応スケール範囲[0.1m_H, 10m_H]における数値的評価を用いて、不確かさ低減の程度を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 すべての順序での反応スケール対数の再結合は、N³LOにおけるヒッグス粒子生成の反応スケール不確かさを低減できるか？
• RQ2 固定順序予測と比較して、極端な反応スケール変動下での再結合断面積はどのように振る舞うか？
• RQ3 N³LOでRG改善結果を用いることで、反応スケール不確かさはどの程度定量的に低減されるか？
• RQ4 再結合アプローチは、さまざまなLHC中心系エネルギーで安定性を保っているか？
• RQ5 このRGに基づく再結合技術は、他の高エネルギーQCD過程に一般化可能か？

主な発見

• RG改善断面積により、反応スケールμ_R ∈ [0.1m_H, 10m_H] の範囲で、固定順序N³LOにおける反応スケール不確かさが27％からわずか1.5％に低減された。
• 再結合予測は、反応スケール変動に対する感受性が著しく低く、特にμ_R < m_Hの領域で固定順序結果が物理的に不自然な低下を示すのとは対照的である。
• N³LOにおいて、固定順序断面積はμ_R = 0.5m_H未満で大きな対数寄与により低下するが、再結合結果は安定で単調な振る舞いを示す。
• 再結合断面積は、さまざまなLHC中心系エネルギーでも安定しており、固定順序予測よりも反応スケール不確かさがより速やかに減少する。
• 再結合アプローチは、極端なスケール選択下で見られる物理的に不自然な符号反転や非単調的振る舞いを効果的に抑制した。
• この手法は一般化可能であり、トップクォーク対生成やマルチジェット生成などの他のQCD過程に応用可能である。