[논문 리뷰] Clarifications on the impact of theoretical uncertainties on the Tevatron Higgs exclusion limits

Julien Baglio, A. Djouadi외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 12인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 CDF와 D0가 제시한 이론적 불확실성(특히 스케일 변화, PDF, 유효(field) 이론 근사에서 비롯된 것들)이 Tevatron에서의 글루온-글루온 융합 Higgs 생성 단면적에서 상당히 과소평가되었음을 보여줌으로써 Tevatron Higgs 배제 한계(95% 신뢰수준에서 158–175 GeV)에 도전한다. LHC에서 사용된 것과 동일한 엄격한 불확실성 추정 방법을 적용했을 때, 중심 단면적은 최대 40%까지 이격될 수 있으며, 이는 배제 한계를 약화시키고 Higgs 배제 주장의 재검토를 요구한다.

ABSTRACT

In this note, we respond to the comments and criticisms made by the representatives of the CDF and D0 collaborations on our recent papers in which we point out that the theoretical uncertainties in the Higgs production cross section have been largely un- derestimated and, if properly taken into account, will significantly loosen the Tevatron Higgs exclusion bounds. We show that our approach to the theoretical uncertainties is reasonable and fully justified. In particular, we show that our procedure is not very different from that adopted by the LHC experiments and if the latter is used in the Tevatron case, one obtains much larger uncertainties that those assumed by the CDF and D0 collaborations. Furthermore, we provide additional details on our statistical analysis of the CDF and D0 exclusion limit and show that it is conceptually correct.

연구 동기 및 목표

• 주요 gg→H 생성 채널에서의 이론적 불확실성 재평가를 통해 CDF와 D0의 Higgs 배제 한계(95% 신뢰수준에서 158–175 GeV)의 견고성에 도전하기.
• Tevatron Higgs 단면적의 이론적 불확실성, 특히 스케일 변화, PDF, 유효(field) 이론 근사에서 비롯된 것들이 상당히 과소평가되었음을 입증하기.
• LHC Higgs 단면적 워킹 그룹에서 채택한 방법론과 일치함을 보여, 이는 Tevatron 실험에서 가정된 것보다 훨씬 큰 불확실성을 초래한다는 점을 정당화하기.
• 이전 분석에서 HERAPDF를 사용할 때 발생한 수치 오류를 수정하고, 소량의 정량적 조정에도 불구하고 결론은 그대로 유지됨을 재확인하기.
• 지나치게 낙관적인 이론적 불확실성 추정이 타당한 Higgs 질량 범위를 조기 배제하는 데 영향을 미쳐 고에너지 물리학의 신뢰성을 훼손할 수 있음을 주장하기.

제안 방법

• 저자들은 Tevatron에서의 NNLO 글루온-글루온 융합 Higgs 생성 단면적에 대해 철저한 재분석을 수행하였으며, 스케일 불확실성, PDF 및 αs 불확실성, 유효(field) 이론(EFT) 근사 오차를 포함한다.
• μ₀/2 ≤ μR, μF ≤ 2μ₀ 범위의 스케일 변화 범위를 적용하며, μ₀ = MH/2로 설정하여 더 높은 순서의 QCD 보정을 고려하지 못한 것을 보완한다.
• MSTW, HERAPDF, ABKM 등 여러 PDF 세트 간의 예측 비교를 통해 표준 오차 전파를 넘는 이론적 불확실성을 드러낸다.
• 통계적 에뮬레이션 기법을 사용하여, 인위적 불확실성을 추가하지 않고도 다른 PDF 세트를 사용해 단면적 정규화를 조정함으로써 CDF/D0의 배제 한계를 재추정한다.
• 이 방법은 LHC Higgs 단면적 워킹 그룹 보고서와 유사한 불확실성 추정 전략을 채택한 바, 검증을 받았다.
• 이전에 HERAPDF를 사용할 때 발생한 수치 오류를 수정하였으며, 수정된 값이 전체 결론에 미치는 영향은 미미함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Tevatron에서의 gg→H Higgs 생성 단면적 이론적 불확실성은 CDF와 D0 협동조직이 가정한 것과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 스케일 변화, PDF 불확실성, EFT 근사가 Tevatron 환경에서 Higgs 단면적의 중심값과 불확실성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 CDF/D0의 배제 한계를 재추정하기 위해 사용된 통계적 방법은 개념적으로 타당한가, 그리고 실험 분석을 올바르게 에뮬레이션하는가?
• RQ4 LHC Higgs 워킹 그룹의 불확실성 추정은 Tevatron 분석에서 사용된 것과 어떻게 비교되며, 이는 Tevatron 배제 한계의 견고성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 MSTW 대신 HERAPDF나 ABKM과 같은 다른 PDF 세트를 사용하면 Higgs 단면적 예측의 이론적 불확실성을 더 신뢰할 만하게 반영할 수 있는가?

주요 결과

• Tevatron에서의 gg→H 단면적 이론적 불확실성은 중심값을 최대 약 40%까지 이격시킬 수 있으며, 이는 CDF와 D0가 가정한 10–20%의 불확실성보다 상당히 크다.
• LHC Higgs 워킹 그룹에서 사용된 동일한 불확실성 추정 방법을 Tevatron에 적용했을 때, 결과적으로 얻어진 불확실성은 원래 CDF와 D0의 배제에 사용된 것보다 훨씬 크다.
• PDF 세트를 변경함으로써(예: MSTW 대신 HERAPDF 또는 ABKM를 사용함) CDF/D0의 배제 한계를 통계적으로 에뮬레이션하는 방법은 개념적으로 타당하며, 추가 이론적 불확실성을 추가할 필요가 없다.
• MSTW, HERAPDF, ABKM 간의 PDF 세트 간 격차는 NNLO에서 진정한 이론적 불확실성을 반영하며, Higgs 보손과 같은 중요한 탐색에서 배제 한계에 포함되어야 한다.
• 저자들은 이전에 HERAPDF를 사용할 때 발생한 수치 오류를 수정하였지만, 수정된 값이 전체 논의의 일부에만 약간의 영향을 미치며 주요 결론에는 영향을 주지 않음을 확인하였다.
• 논문은 CDF와 D0의 Higgs 배제 한계가 이론적 불확실성의 과소평가로 인해 주장된 것만큼 견고하지 않으며, 재검토가 필요하다고 결론내린다.