[논문 리뷰] Higgs pair production at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy at the LHC

Daniel de Florian, Javier Mazzitelli|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 26.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 12인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 글루온 융합를 통한 힉스 쌍 생성에 대해 중심질량 에너지 14 TeV에서 다음 이중 로그 보정(NNLL) 임계값 재결합을 제시하며, 무거운 토프 쿼크 근사에서 다음 이중 최고 순서( NNLO ) 단면적과 일관되게 매칭된다. 재결합은 14 TeV 중심질량 에너지에서 포함 단면적을 6.8% 증가시키고, 미세 조정 불확실도를 ±5.5%로 줄이며, 스케일 변화에 대해 매우 안정된 결과를 보인다.

ABSTRACT

We perform the threshold resummation for Higgs pair production in the dominant gluon fusion channel to next-to-next-to-leading logarithmic (NNLL) accuracy. The calculation includes the matching to the next-to-next-to-leading order (NNLO) cross section obtained in the heavy top-quark limit, and results in an increase of the inclusive cross section up to 7% at the LHC with centre-of-mass energy Ecm=14TeV, for the choice of factorization and renormalization scales $μ_F=μ_R=Q$, being Q the invariant mass of the Higgs pair system. After the resummation is implemented, we estimate the theoretical uncertainty from the perturbative expansion to be reduced to about +-5.5%, plus ~10% from finite top-mass effects. The resummed cross section turns out to be rather independent of the value chosen for the central factorization and renormalization scales in the usual range (Q/2,Q).

연구 동기 및 목표

• 임계값 증폭 소프트 글루온 보정을 재결합하여 LHC에서의 힉스 쌍 생성 단면적 이론적 정밀도를 향상시키기 위해.
• 고정 순서 NNLO를 초월하는 고차 QCD 보정을 포함하여 단면적 예측의 미세 조정 불확실도를 줄이기 위해.
• 특히 고광도 LHC의 맥락에서 인식 및 재결합 스케일의 변화에 따른 단면적 예측의 안정성을 평가하기 위해.
• 유한한 토프 쿼크 질량 효과가 단면적에 미치는 영향을 정량화하고, 그 기여하는 불확실도를 추정하기 위해.
• 업그레이드된 LHC에서의 힉스 자기결합 측정에 대해 강력하고 스케일에 안정적인 예측을 제공하기 위해.

제안 방법

• 글루온 융합 채널에서 힉스 쌍 생성에 대해 다음 이중 로그 보정(NNLL) 정확도까지 임계값 재결합을 수행한다.
• 유한한 토프 쿼크 질량 근사에서 효과 이론 접근법을 사용하며, 힉스-글루온 결합은 $ C_H $ 및 $ C_{HH} $ 계수를 포함하는 효과 이론 라그랑지안에서 유도된다.
• 동일한 효과 이론 내에서 재결합 단면적을 정확한 NNLO 결과와 매칭하여 모든 순서에서 일관성을 확보한다.
• 모멘트 공간에서의 재결합을 처리하기 위해 멜린 변환 기법을 적용한 후, 역변환을 통해 물리 공간으로 복귀한다.
• 스케일 의존성을 평가하기 위해 $ \mu_F $ 및 $ \mu_R $ 를 힉스 쌍의 불변 질량 $ Q $ 근처에서 변화시켜 이론적 불확실도를 분석한다.
• 기존의 NLO 결과와 재가중 기법을 사용하여 유한한 토프 쿼크 질량 효과를 추정하며, 효과 이론 결과에 약 ~10%의 불확실도를 추가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NNLL 정확도에서 힉스 쌍 생성에 대한 임계값 증폭 소프트 글루온 보정의 크기는 얼마인가?
• RQ2 NNLL 재결합의 포함이 힉스 쌍 생성 단면적의 스케일 의존성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 재결합 결과를 NNLO 단면적과 매칭함으로써 최종 단면적 값과 불확실도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 요약된 예측은 인식 및 재결합 스케일의 변화에 대해 고정 순서 결과와 비교해 볼 때 안정성이 어떻게 나타나는가?
• RQ5 효과 이론 근사에서의 유한한 토프 쿼크 질량 효과에 의한 추정 불확실도는 얼마인가?

주요 결과

• NNLL 재결합은 $ \sqrt{s} = 14 \text{ TeV} $ 및 $ \mu_F = \mu_R = Q $ 조건에서 포함 힉스 쌍 생성 단면적을 6.8% 증가시킨다.
• 미세 조정 전개에서 기인하는 이론적 불확실도는 NNLO에서의 ±8.5%에서 NNLL로의 전환으로 ±5.5%로 감소한다.
• 재결합된 단면적은 중심 스케일 선택에 거의 영향을 받지 않으며, $ \mu_0 = Q $ 와 $ \mu_0 = Q/2 $ 사이의 차이가 미미하여 스케일에 대한 안정성이 향상됨을 시사한다.
• 유한한 토프 쿼크 질량 효과는 단면적 예측에 약 ±10%의 추가 불확실도를 기여한다.
• 이제 미세 조정 불확실도는 강한 결합 상수 및 부분자 분포 함수의 불확실도(14 TeV에서 약 ±7.5%)보다 작아졌다.
• NNLL 예측은 단일 힉스 생성에 대한 N³LO 결과와 일치하며, $ \mu_0 = Q $ 를 표준 선택으로 사용하는 것을 지지한다.