[논문 리뷰] Distributions for neutral Higgs production in the NMSSM

Stefan Liebler, Hendrik Mantler외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 72인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하나의 중성미자 모델(MSSM)에서 글루온 융합을 통한 중성 힉스 보손 생성에 대해, 분석적 NLO+NLL 횡방향 운동량 재결합 및 두 가지 완전한 차원의 NLO+파트온 슈퍼 방법(MC@NLO 및 POWHEG)을 사용하여, 처음으로 완전한 미분형 NLO QCD 예측을 제시한다. 적절한 스케일 선택과 불확실성 고려 시 모든 방법 간 양호한 일치를 보이며, 경량 힉스 상태를 포함한 NMSSM 매개변수 공간 전반에서 힉스 횡방향 운동량 스펙트럼의 정밀한 모델링이 가능하다.

ABSTRACT

A novel computation of the fully-differential cross section for neutral Higgs-boson production through gluon fusion in the CP-conserving NMSSM is presented. Based on the calculation of NLO corrections to the total cross section [1], we implemented the NMSSM amplitudes in three codes, applying different resummation techniques: analytic transverse-momentum resummation at NLO+NLL, and two fully-differential NLO+PS Monte-Carlo approaches using the MC@NLO and POWHEG matching procedures, respectively. We study phenomenological predictions for distributions in the NMSSM with a special emphasis on the Higgs transverse-momentum spectrum. Reasonable agreement among the various approaches is found, once well-motivated choices for the unphysical matching scales and the determination of the related uncertainties are made.

연구 동기 및 목표

• 일련의 중성미자 모델(MSSM)의 주요 뒷받침되는 확장인 단일 힉스 필드를 가진 $\nms$-MSSM에서 글루온 융합을 통한 중성 힉스 보손 생성에 대해 정밀한 이론적 예측을 제공하기 위해.
• 특히 NLO QCD 정확도로 부분론 슈퍼에 매칭된 힉스 횡방향 운동량 ($p_T$) 스펙트럼을 포함한 완전한 차원의 단면적을 계산하기 위해.
• 분석적 NLO+NLL 재결합, MC@NLO, POWHEG 매칭이라는 세 가지 다른 계산 방법 간의 비교 및 검증을 위해.
• 특히 125 GeV 이하의 질량을 가진 경량 힉스 상태에 대해 LHC 런 II 및 이후 시기에 힉스 신호의 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 스케일 선택에 기인한 이론적 불확실성 평가 및 다양한 방법과 힉스 질량 영역에서의 강건성 확보를 위해.

제안 방법

• 세 가지 독립된 코드에서 총 단면적에 대한 NLO QCD 보정을 구현: MoRe-SusHi(분석적 재결합), aMCSusHi(MC@NLO), mPOWHEG-SusHi(POWHEG 매칭).
• MoRe-SusHi에서 소규모 $p_T$ 영역에서 로그적으로 증폭되는 항을 고려하기 위해 NLO+NLL 횡방향 운동량 재결합을 적용.
• MC@NLO 및 POWHEG 매칭 절차를 사용하여 완전한 차원의 $p_T$ 분포를 생성하여, 고 $p_T$ 영역에서 고정 순서 NLO 결과와 일관성을 확보.
• 톱-쿼크 및 바텀-쿼크 요크 반응 상수를 완전히 포함하여 유한 질량 효과를 반영한 힉스 생성 단면적 계산.
• 스케일 변동 연구를 수행하여 이론적 불확실성 추정, 특히 재결합 및 매칭 스케일에 초점을 맞춤.
• 다양한 힉스 상태(스칼라 및 편미러 스칼라)와 질량 점(65.2 GeV의 경량 $A_1$ 포함)에서 결과 상호 간 검증 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분석적 재결합, MC@NLO, POWHEG 매칭이라는 세 가지 다른 계산 프레임워크 간에 $\nms$-MSSM에서의 힉스 횡방향 운동량 분포는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 특히 바텀 쿼크 결합이 강화된 경우, $\nms$-MSSM에서 힉스의 $p_T$ 스펙트럼에 토프 및 바텀 쿼크 요크 반응 상수가 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 스케일 선택에 기인한 이론적 불확실성은 예측에 어떤 영향을 미치며, 다양한 방법 간에 일관되게 추정될 수 있는가?
• RQ4 재결합 효과가 지배하는 저 $p_T$ 영역과 고정 순서 결과가 지배하는 고 $p_T$ 영역에서 세 방법 간의 일치 정도는 어느 정도인가?
• RQ5 MoRe-SusHi의 분석적 재결합 방법은 65.2 GeV의 경량 편미러 스칼라와 같은 경량 힉스 상태의 $p_T$ 스펙트럼을 신뢰할 만하게 모델링할 수 있으며, 몬테카를로 매칭 결과와 비교해 볼 때 어떤가?

주요 결과

• 분석적 NLO+NLL 재결합(MoRe-SusHi), MC@NLO(aMCSusHi), POWHEG(mPOWHEG-SusHi)의 세 방법 모두 다양한 힉스 상태에서 힉스 횡방향 운동량 스펙트럼에 대해 중심 예측에서 양호한 일치를 보였다.
• MoRe-SusHi의 분석적 재결합 결과는 몬테카를로 방법보다 작은 횡방향 운동량 영역에서 더 부드럽고 덜 에너지가 많은 스펙트럼을 보이며, 알려진 재결합 효과와 일치한다.
• 스케일 불확실성은 각 방법 간 잘 제어되어 있으며 유사한 수준이었으며, 특히 고 $p_T$ 영역에서 MC@NLO 및 POWHEG 방법이 매칭 스케일 변동으로 인해 더 넓은 불확실성 밴드를 보였다.
• 질량 $m_{A_1} = 65.2$ GeV인 경량 편미러 스칼라 $A_1$에 대해서는 두 몬테카를로 코드 간에 매우 밀접한 일치를 보였지만, aMCSusHi 곡선에서 $p_T \sim 40-70$ GeV 부근에 작은 돌출부가 관측되었다.
• 모든 방법 간의 일치는 각각의 이론적 불확실성 밴드 내에서 이루어졌으며, 적절한 스케일 선택이 이루어졌을 때 각 접근법의 신뢰성은 검증되었다.
• 낮은 질량 힉스 상태에 대해서도 결과는 강건하지만, $m_\phi \lesssim 20$ GeV일 경우 쿼크 임계값에 가까워져 추가 재결합이 필요할 수 있으므로 주의가 필요하다.