[論文レビュー] Vector-Boson Fusion and Vector-Boson Scattering

Michael Rauch|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 26

ひとこと要約

このレビューでは、LHCにおけるベクトルボソン融合（VBF）およびベクトルボソン散乱（VBS）過程について、高次のQCDおよび電弱補正、パートンシャワーのマッチング、異常ゲージ結合定数の制約を焦点として、包括的な理論的分析を提供する。NLO QCD補正が予測を安定化させ、パートンシャワーのマッチングが中央領域のジェット活動を低減させ、今後の高エネルギー運転により、VBSシグネチャを通じて標準模型の精密検証および新しい物理の探索が可能になると示している。

ABSTRACT

Vector-boson fusion and vector-boson scattering are an important class of processes for the Large Hadron Collider at CERN. It is characterized by two high-energetic jets in the forward regions of the detector and reduced jet activity in the central region. The higher center-of-mass energy during the current and subsequent runs strongly boosts the sensitivity in these processes and allows to test the predictions of the Standard Model to a high precision. In this review, we first present the main phenomenological features of vector-boson fusion and scattering processes. Then we discuss the effects of higher-order corrections, which are available at NLO QCD for all processes and up to N3LO QCD and NLO electro-weak for VBF-H production. An additional refinement is the addition of parton-shower effects, where recently a lot of progress has been made. The appearance of triple and quartic gauge vertices in the production processes enables us to probe anomalous gauge couplings. We introduce and compare the different parametrizations used in the literature and also discuss the issue of unitarity violation and common unitarization procedures. Finally, we give a short overview of current and possible future experimental searches.

研究の動機と目的

• LHC物理学に関連するベクトルボソン融合および散乱過程の詳細な理論的概要を提供すること。
• VBFおよびVBSの断面積および分布に及ぼす高次のQCDおよび電弱補正の影響を分析すること。
• パートンシャワーのマッチングがVBFイベントシミュレーションの精度を向上させる役割を評価すること。
• 有効場理論を用いた異常ゲージ結合定数および新しい物理への感受性を評価すること。
• 現在の実験的結果および高光度および高エネルギーLHC運転における精度測定の今後の見通しを要約すること。

提案手法

• NLO QCD補正における紫外および赤外発散を処理するため、Catani-Seymourの減算スキームを用いる。
• VBFヒッグス生成に対する次-leading order (NLO) QCDおよびNLO電弱補正を適用し、包含的断面積に関してはN3LO QCDも利用可能である。
• POWHEG-BOXフレームワークを用いてNLO QCD計算とパートンシャワーをマッチングさせ、中央ジェット活動の予測における不確実性を低減する。
• 異常三重および四重ゲージ結合定数をパラメトライズするため、次元6および次元8の演算子を含む有効場理論を用いる。
• 大きな異常結合定数が存在する場合のS行列のユニタリティを保証するため、ユニタリティの境界およびK行列法のような回復技術を適用する。
• 異常結合定数の異なるパラメトライゼーションを比較し、ヒッグス系の非線形実現を用いてそれらの間の関係を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLO QCDおよび電弱補正は、VBFおよびVBS過程の断面積および運動量分布にどのように影響を与えるか？
• RQ2 パートンシャワー効果は、VBFイベントの中央領域におけるジェット活動をどの程度変化させ、NLO計算とのマッチングにより信頼性がどのように向上するか？
• RQ3 現在のLHCのRun-Iデータから、異常三重および四重ゲージ結合定数に課せられる制約は何か？また、有効場理論のパラメトライゼーションの選択に依存するか？
• RQ4 大きな異常結合定数を伴うVBS振幅において、ユニタリティの破れはどのように生じるのか？また、どのユニタリティ回復手順が摂動的整合性を回復するか？
• RQ5 13–100 TeVの中心系エネルギーレベルの今後のLHC運転において、VBS過程における新しい物理の感受性はどの程度期待されるか？

主な発見

• VBF過程におけるNLO QCD補正はやや小さいが、スケール依存不確実性を安定化させるために不可欠であり、交換ボソンの運動量移動が最適な総称スケールとして機能する。
• VBFヒッグス生成において、NLO電弱補正およびNNLO QCD補正は断面積を減少させ、後者はNLO QCDのスケール不確実性帯をはるかに超えて結果をシフトさせる。
• POWHEG-BOXフレームワークによるNLO QCD計算とパートンシャワーのマッチングは、中央ジェット活動の予測における乖離を顕著に低減させ、低く信頼性の高いジェット多重度をもたらす。
• NLOマッチドシミュレーションにパートンシャワー効果を組み込むと、安定的かつ低レベルの中央ジェット活動が得られ、これはQCD誘導背景と区別するための重要な判別子となる。
• 現在のLHC Run-Iデータは、標準模型からの顕著なずれを示さず、次元8の演算子は95%信頼区間で0.2–1 TeV⁻⁴未満に制約されている。
• 今後の高光度および高エネルギーLHC運転（最大100 TeV）により、標準模型の究極的検証が可能となり、異常結合定数のスケールで数TeV⁻⁴程度の新しい物理の発見感受性が期待される。