[論文レビュー] Two photon background for Higgs boson searches at the LHC

T. Binoth|ArXiv.org|May 18, 2000

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、LHCにおけるハドロン衝突における2光子背景の完全な次-leading order (NLO) 計算を提示している。QCDパートンからのフラグメンテーション寄与を含めた計算であり、Higgs粒子のH→γγ崩壊チャネルを用いた探索における正確なバックグラウンド推定に不可欠である。本研究では、光子対のインバリアント質量分布に対して高精度な予測を提供し、規格化スケールおよび因子化スケールの変動に対して10–20%の残存スケール依存性を示した。また、遮断条件（Isolation cuts）によりフラグメンテーション寄与が顕著に低減されていることを示した。

ABSTRACT

The search for an intermediate mass Higgs boson at the LHC needs the quantitative understanding of the two-photon background. A calculation of two-photon production in hadronic collisions at full next-to-leading order is described. It includes photons originating from the hadronization of QCD partons which play an important role at the LHC. A prediction for the invariant mass distribution for photon pairs at the LHC is presented and finally the residual scale dependencies are discussed.

研究の動機と目的

• LHCにおけるHiggs粒子探索における主要な2光子バックグラウンドを定量的に理解すること、特に中間質量Higgs粒子に対して。
• 特にQCDパートンからのフラグメンテーション寄与を含めた、光子対生成の次次-leading order (NLO)補正を組み込むこと。
• LHCにおける光子対のインバリアント質量分布（Mγγ）に対する信頼性の高い予測を提供すること。
• 規格化スケール、因子化スケール、フラグメンテーションスケールの変動に対する予測の安定性を評価すること。
• 光子遮断条件がフラグメンテーション駆動バックグラウンドをどれほど効果的に抑制するかを評価すること。

提案手法

• ハドロン衝突における2光子生成の完全NLO計算を実施し、α²αsのオーダーでの仮想的および実際の放射修正を含めた。
• QCDパートンのハドロン化から生じる光子を記述するため、フラグメンテーション関数Dγ/j（j = q, q̄, g）を組み込んだ。
• 計算にMRST2のパートン分布関数とBFGの光子フラグメンテーション関数を用いた。
• 各光子の周囲に半径R = 0.4の円筒領域内での横方向のハドロンエネルギーをETmax = 5 GeVに制限することで、遮断条件を実装した。
• 理論的不確実性を推定するために、μ、μFACT、μFRAGを用いたスケール変動解析を実施した。
• 赤外安全な観測量に関して、Tevatronのデータと比較することで計算の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける2光子バックグラウンドに、QCDパートンのフラグメンテーション寄与がどの程度寄与しているか。
• RQ2 特にフラグメンテーション過程に対するNLO補正を組み込むことで、Mγγ分布にどのような影響が生じるか。
• RQ3 光子遮断条件は、γγ最終状態におけるフラグメンテーション駆動バックグラウンドをどの程度効果的に抑制するか。
• RQ4 Mγγ分布に対するNLO予測の残存スケール依存性はどの程度か。
• RQ5 規格化スケール、因子化スケール、フラグメンテーションスケールの変動に対して、予測はどの程度安定しているか。

主な発見

• NLOフラグメンテーション寄与を組み込むことで、LHCにおける2光子バックグラウンド予測の精度が顕著に向上した。
• 遮断を施さない場合、1つのフラグメンテーション寄与がMγγ分布を支配するが、遮断条件（ETmax = 5 GeV、R = 0.4）を適用すると、直接生成成分が支配的になる。
• LHCにおけるMγγ分布はNLO計算によってよく記述されており、赤外安全な観測量に関してTevatronデータと良好な一致を示した。
• 遮断済みMγγ分布の残存スケール依存性は10–20%であり、μとμFACTの反対角的変動が、保守的な不確実性推定を提供した。
• μとμFACTを同時に変動させた際、NLO補正とパートンフラックスの変化が相殺されることにより、偶然的安定性が観測された。
• 本計算はDIPHOXイベントジェネレータに実装されており、赤外感受性分布における高次の補正および発展的総和の基盤を提供している。