[論文レビュー] Uncertainties of QCD predictions for Higgs boson decay into bottom quarks at NNLO and beyond

A. L. Kataev, V. Kim|arXiv (Cornell University)|Feb 9, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、次に次に至る項（NNLO）を超えるレベルにおけるヒッグス粒子の底クォークへの崩壊幅（Γ(H→bb̄））のQCD予測における理論的不確実性を分析している。特にミンコフスキー空間における解析的継続に起因するπ²項の再結合と、異なる質量パラメータ化の影響に注目している。結果として、120 GeVにおけるπ²項の再結合は崩壊幅を11%以上減少させ、標準的な切り捨てられた$̅{MS}$-スキーム計算では捉えきれない顕著な理論的不確実性を示している。

ABSTRACT

An importance of the detailed studies of the theoretical QCD predictions for the decay width of Standard Model Higgs boson into bottom quarks, in the case when $ m{M_H\leq 2M_W}$, is emphasized. The effects of higher order perturbative QCD corrections up to order $α_s^4$-terms are considered. The resummations of the $π^2$ terms resulting from analytical continuation, typical of Minkowskian quantities, is undertaken for the $Γ(H o\bar{b}b)$ decay width. The uncertainties in the calculation of this decay width are analyzed.

研究の動機と目的

• ヒッグス粒子の底クォークへの崩壊幅（Γ(H→bb̄））のNNLOおよびそれ以上のレベルにおけるQCD予測の理論的不確実性を定量化すること。
• ミンコフスキー空間量における解析的継続に起因するπ²項の再結合が、崩壊幅予測に与える影響を調査すること。
• $̅{MS}$-スキームとFAPT（分数的解析的摂動理論）の文脈において、ランニング底クォーク質量の異なるパラメータ化とその崩壊幅への影響を比較すること。
• 標準的な切り捨てられた$̅{MS}$-スキーム計算が、高次の解析的効果を欠いているため理論的不確実性を低く見積もっているかどうかを評価すること。
• これらの不確実性がヒッグス粒子の分岐比およびLHCの崩壊チャンネル測定に与える現象論的影響を評価すること。

提案手法

• $̅{MS}$-スキームを用いて、αs(MH)における摂動級数として崩壊幅を表現し、αs⁴の項までを含む。
• 摂動係数ΔΓiをユークリッド（dEi）項とミンコフスキー（π²）項に分離し、後者は時間的反応関数の解析的継続に起因する。
• 分数的解析的摂動理論（FAPT）フレームワークを用いてπ²項を再結合し、ランニング底クォーク質量における全n_f依存性を組み込む。
• 切り捨てられた$̅{MS}$-スキーム結果とFAPTに基づく近似式（2ループおよび3ループ両方のバージョン）を比較し、収束性と安定性を評価する。
• 未知の5ループのβ関数係数β₄を推定するためにPadé近似を用い、摂動級数の一貫性を保証する。
• 標準的なQCDパラメータ（αs(MZ), mb, MH）を用いた数値的比較を行い、異なるパラメータ化および再結合スキームに対する崩壊幅の感度を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLOを超える摂動級数の切り捨てに起因するΓ(H→bb̄）における理論的不確実性はどの程度顕著か？
• RQ2 ミンコフスキー空間における解析的継続に起因するπ²項が、N³LOレベルでの予測崩壊幅にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 特に$̅{MS}$-スキームにおけるランニング底クォーク質量とFAPTとの間で、異なる質量パラメータ化が崩壊幅予測にどのように影響を及ぼすか？
• RQ4 FAPTフレームワークにおける全n_f依存性の組み込みが、標準的な$̅{MS}$-スキームと比較して崩壊幅に体系的なシフトをもたらすか？
• RQ5 $̅{MS}$-スキームとFAPTの結果の乖離が、ヒッグス粒子の崩壊および生成振幅におけるより広範な理論的不確実性のクラスを示唆しているか？

主な発見

• N²LOレベルでは、π²項の再結合の効果は無視できるほど小さく、FAPTに基づく結果と切り捨てられた$̅{MS}$-スキームの結果はほとんど区別できない。
• N³LOレベルでは、π²項の再結合が予測崩壊幅を顕著に減少させる。特にMH = 120 GeVの場合、FAPT結果は切り捨てられた$̅{MS}$-スキーム予測よりも0.2 MeV以上低い。
• 120 GeVにおける再結合効果は、崩壊幅を11%以上減少させ、標準的な$̅{MS}$-スキーム計算では捉えきれない顕著な理論的不確実性を示している。
• 「フレーバー補正付きグローバルFAPT」アプローチは、切り捨てられた$̅{MS}$-スキームおよび単純なFAPTバージョンと比較して、Γ(H→bb̄）の値を体系的に低くする。
• 本研究は、ランニング底クォーク質量の異なるパラメータ化および再結合スキームが、無視できない理論的不確実性を引き起こすことを明らかにした。これは、標準的な誤差推定値が低く見積もられている可能性を示唆する。
• これらの発見は、時間的領域またはミンコフスキー領域の振幅を含む他のヒッグス崩壊および生成断面積予測に対しても同様の不確実性が影響を及ぼす可能性があることを示唆している。