[논문 리뷰] Electroweak and QCD corrections to Higgs production via vector-boson fusion at the LHC

M. Ciccolini, A. D enner외 1명|Max Planck Institute for Plasma Physics|2007. 10. 25.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 39

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 힉스 보손 생성에 대한 최초의 완전한 1차 보정(NLO) 계산을 제시한다. 여기에는 $t$-, $u$-, $s$-채널 도형과 그 간섭항을 포함한다. 연구 결과, 양자 chromodynamics(QCD) 및 양자 전기역학(electroweak) 보정이 모두 유의미하며 일반적으로 5–10% 수준이며, 미분 분포에 비선형적인 왜곡을 유도한다. 전체 NLO 결과는 VBF 절삭 조건 하에서 $t/u$-채널 근사와 밀도로 일치한다.

ABSTRACT

The radiative corrections of the strong and electroweak interactions are calculated at next-to-leading order for Higgs-boson production in the weak-boson-fusion channel at hadron colliders. Specifically, the calculation includes all weak-boson fusion and quark--antiquark annihilation diagrams to Higgs-boson production in association with two hard jets, including all corresponding interferences. The results on the QCD corrections confirm that previously made approximations of neglecting s-channel diagrams and interferences are well suited for predictions of Higgs production with dedicated vector-boson fusion cuts at the LHC. The electroweak corrections, which also include real corrections from incoming photons and leading heavy-Higgs-boson effects at two-loop order, are of the same size as the QCD corrections, viz. typically at the level of 5-10% for a Higgs-boson mass up to \sim 700 GeV. In general, both types of corrections do not simply rescale differential distributions, but induce distortions at the level of 10%. The discussed corrections have been implemented in a flexible Monte Carlo event generator.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 벡터 보손 융합(VBF)을 통한 힉스 보손 생성에 대한 전체 1차 보정(NLO) QCD 및 전기역학 보정을 계산하기.
• VBF 단면적 예측에서 $s$-채널 도형과 간섭항을 무시하는 일반적인 근사의 타당성 평가하기.
• 실제 광자 보정 및 주요 2계수 중량 힉스 효과를 포함한 전기역학 보정이 미분 분포에 미치는 영향 평가하기.
• 현상학적 응용을 위해 유연한 몬테카를로 이벤트 생성기에서 전체 계산을 구현하기.
• 700 GeV까지의 힉스 보손 질량에 대해 단면적 및 분포 예측의 이론적 불확도 수치화하기.

제안 방법

• 이전의 힉스 붕괴 계산과 유사한 설정을 사용하여, $t$-, $u$-, $s$-채널 도형과 모든 간섭항을 포함한 전체 NLO QCD 보정 계산 수행하기.
• 모든 기여를 시스템적으로 다루기 위해 NLO QCD 보정을 네 가지 구체적인 범주로 분류하기.
• 실제 보정에서 초기 상태 광자 기여와 DGLAP 진화를 통한 QED 효과를 포함한 NLO 전기역학 보정 포함하기.
• 중량 힉스 보손에 대해 $G_\mu^2 M_{\mathrm{H}}^4$ 비례하는 주요 2계수 전기역학 보정을 참조문헌 [23]의 결과를 활용해 포함하기.
• 유연한 몬테카를로 이벤트 생성기를 통해 전체 계산을 구현하여 통합 단면적과 미분 분포 모두 계산하기.
• 표준 $t/u$-채널 근사와의 결과 비교 및 일반적인 VBF 선택 조건 하에서의 일치도 평가하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 VBF 힉스 생성에서 $s$-채널 도형과 간섭항을 포함할 경우 NLO QCD 보정은 얼마나 유의미한가?
• RQ2 넓은 힉스 질량 범위에서 실질 광자 기여 및 2계수 중량 힉스 효과를 포함한 NLO 전기역학 보정의 크기와 부호는 어떠한가?
• RQ3 가로 운동량, 빠르도, 자형각 차이, 제트-불변 질량 등의 미분 분포에 QCD 및 전기역학 보정이 얼마나 비선형적으로 왜곡을 유도하는가?
• RQ4 실제 VBF 선택 조건 하에서 표준 $t/u$-채널 근사는 전체 NLO QCD 결과를 얼마나 잘 재현하는가?
• RQ5 완전한 NLO 보정을 포함하고 고차항 효과를 추정함으로써 단면적 및 분포 예측의 이론적 불확도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 전체 NLO QCD 보정에서 $s$-채널 도형과 간섭항을 포함한 결과는 일반적인 $t/u$-채널 근사와 일치하며, 일반적인 VBF 절삭 조건 하에서 수퍼프로세스의 오차 범위 내에서 일치한다.
• NLO 전기역학 보정은 QCD 보정과 비슷한 크기—일반적으로 5–10%—이며, $M_{\mathrm{H}} < 200\,\mathrm{GeV}$에서는 음수이며, $M_{\mathrm{H}} = 700\,\mathrm{GeV}$에서 +7%로 증가한다.
• 전기역학 보정은 분포에 약 10% 수준의 비선형적 왜곡을 유도하며, 이는 분포를 단순히 스케일링하는 것과 다름을 의미한다.
• $M_{\mathrm{H}} \gtrsim 400\,\mathrm{GeV}$에서는 힉스 보손의 너비가 충분히 크기 때문에 온셸프 근사가 붕괴되고 비온셸프 효과를 포함해야 한다.
• $M_{\mathrm{H}} = 700\,\mathrm{GeV}$에서 주요 2계수 중량 힉스 보정은 1계수 보정과 비슷한 크기가 되며, 이는 양자역학적 시리즈의 발산을 시사하며, 이 효과는 누락된 고차항 불확도를 추정하는 데 사용될 수 있다.
• 총 단면적의 이론적 불확도는 $M_{\mathrm{H}} = 100$–$200\,\mathrm{GeV}$ 범위에서 약 1–2%이며, 파arton 분포 함수로부터 유래하는 추가 3.5%의 불확도가 있다.