[논문 리뷰] Higgs and Z boson associated production via gluon fusion in the SM and the 2HDM

B. Hespel, Fabio Maltoni외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 72인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 표준모형(SM)과 이중 힉스 보우스 모형(2HDM)에서 글루온 융합를 통한 힉스 및 Z 보손 연계 생성에 대한 상세한 연구를 제시한다. 이는 다음단계의 정밀도(NLO) QCD 계산과 파트온 쇼워를 결합한 것이다. 연구는 특히 높은 힉스 횡운동량 영역에서 정밀한 미분 분포를 확보하기 위해 융합된 0- 및 1-제트 샘플이 필수적임을 보여주며, 특히 $ZH^0$ 및 $ZA^0$ 생성에서 뚜렷한 공진 증폭 및 간섭 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

We analyse the associated production of Higgs and $Z$ boson via heavy-quark loops at the LHC in the Standard Model and beyond. We first review the main features of the Born $2 o 2$ production, and in particular discuss the high-energy behaviour, angular distributions and $Z$ boson polarisation. We then consider the effects of extra QCD radiation as described by the $2 o 3$ loop matrix elements, and find that they dominate at high Higgs transverse momentum. We show how merged samples of 0-- and 1--jet multiplicities, matched to a parton shower can provide a reliable description of differential distributions in $ZH$ production. In addition to the Standard Model study, results in a generic two-Higgs-doublet-model are obtained and presented for a set of representative and experimentally viable benchmarks for $Zh^0$, $ZH^0$ and $ZA^0$ production. We observe that various interesting features appear either due to the resonant enhancement of the cross-section or to interference patterns between resonant and non-resonant contributions.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 $ZH$ 연계 생성에 대한 이론 예측을 향상시키기 위해 주로 Drell-Yan 과정의 최고차수 이상의 기여를 포함하고자 한다.
• 파트온 쇼워 매칭을 통한 $2\to 2$ 및 $2\to 3$ 행렬 원소의 조합을 통해, 특히 고운동량 영역에서 이론적 불확실성을 줄이고자 한다.
• 특히 $Zh^0$, $ZH^0$, $ZA^0$ 채널을 통해 2HDM에서 SM과의 편차를 탐색하고자 하며, 공진 증폭 및 간섭 효과를 중심으로 분석한다.
• 확장된 힉스 섹터를 포함하는 시나리오에서 실험적 탐색을 위한 기준 예측을 제공하고자 한다.

제안 방법

• 표준모형(SM) 및 2HDM에서 $gg\to ZH$의 NLO QCD 앰리튜드를 계산하기 위해 MadGraph5_aMC@NLO를 활용하였다.
• Pythia 8를 통한 파트온 쇼워 매칭을 통해 0-제트 및 1-제트 최종 상태를 융합함으로써 고-$p_T$ 영역에서 정확도를 향상시켰다.
• $2\to 2$ 및 $2\to 3$ 루프 수준의 행렬 원소를 적용하여 실방출 효과를 모델링하였으며, 특히 높은 힉스 횡운동량 영역에서 지배적인 기여를 분석하였다.
• 부드러운 글루온 재결합을 수행하여 정확도를 향상시켰으며, 글루온 융합 성분에 대해 NLO+NLL 정밀도를 달성하였다.
• 공진 및 간섭 효과를 탐색하기 위해 다양한 양자수 상수와 힉스 질량을 가진 세 가지 대표적 2HDM 벤치마크를 정의하고 평가하였다.
• SM의 횡단면 검증을 위해 vh@nnlo 및 HVNNLO 프레임워크를 활용하였으며, 사적인 코드를 통해 2HDM로의 확장을 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고운동량 영역에서 $gg\to ZH$의 $2\to 2$ 및 $2\to 3$ 행렬 원소는 어떻게 다른 기여를 하는가?
• RQ2 파트온 쇼워 매칭은 $ZH$ 생성 예측의 이론적 불확실성을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 2HDM 내에서 $ZH$ 생성에 어떤 공진 및 간섭 효과가 발생하는가? 특히 $ZH^0$ 및 $ZA^0$ 최종 상태에서의 경우를 중심으로 분석한다.
• RQ4 톱 쿼크 양자수 상수의 부호와 힉스 질량은 2HDM 벤치마크에서 횡단면 증폭에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 특정 2HDM 시나리오에서 글루온 융합가 $ZH$ 생성을 지배할 수 있는가? 이는 실험적 탐색 전략에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• $2\to 3$ 행렬 원소 기여가 고운동량 영역에서 지배적이며, 정밀한 미분 예측을 위해서는 이를 포함시켜야 한다.
• 파트온 쇼워에 매칭된 융합된 0- 및 1-제트 샘플은 파트온 쇼워만을 사용한 경우에 비해 스케일 불확실성을 거의 두 배 감소시킨다.
• 2HDM에서 $m_Z + m_{A^0}$ 임계값 근처에서 $ZA^0$ 생성이 공진을 겪으며, 특히 벤치마크 B3에서 횡단면이 크게 증폭된다.
• $ZH^0$ 생성에서 $H^0$ 질량이 $A^0$보다 더 무거울 경우, $H^0ZA^0$ 상호작용의 억제 없음으로 인해 큰 횡단면이 발생한다.
• $ZH^0$ 생성에서 삼각형 및 상자 도형 간섭으로 인해 벤치마크 B1에서 간섭은 파괴적 간섭을 일으켜 꼬리 영역에서 횡단면을 억제한다.
• 14 TeV에서 SM에서 $gg\to ZH$ 채널은 총 NNLO 횡단면의 약 10% 기여를 하며, 무한한 토퍼 쿼크 질량 근사에서 NLO 보정이 스케일 의존성을 크게 감소시킨다.