[논문 리뷰] Improved Predictions for Higgs Q_T at the Tevatron and the LHC

Qing-Hong Cao, Chuan-Ren Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2009. 09. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 ResBos 몬테카를로 프로그램을 사용하여 테바트론과 LHC에서 글루온 융합에서의 힉스 보손 횡방향 운동량($Q_T$) 분포를 향상시켰다. 이는 다음다음최고순서(Next-to-Next-to-Leading-Order, NNLO) 고정순서 계산과 소프트 글루온 보정의 재결합을 통해 이루어졌으며, 높은 $Q_T$에서 $Q_T$ 스펙트럼이 증가하고, 낮은 $Q_T$에서의 발산이 감소하며, 총 단면적 예측이 NNLO 예측과 더 잘 일치함으로써 힉스 신호 탐색의 정밀도가 향상된다.

ABSTRACT

The search for the Higgs boson at the Tevatron and the LHC relies on detailed calculations of the kinematics of Higgs boson production and decay. In this paper, we improve the calculation of the distribution in transverse momentum, $Q_T$, of the Higgs boson in the gluon fusion production process, $gg o H$, by matching the resummed distribution at small $Q_T$ with the ${\cal O}(α_{s}^4)$ fixed-order perturbative calculation at high $Q_T$ in the ResBos Monte Carlo program. The distribution is higher at large $Q_T$ than with the old ${\cal O}(α_{s}^3)$ fixed-order perturbative calculation, and the matching with the resummed calculation is much smoother. The total cross section is also increased, more in line with next-to-next-to-leading-order calculations. We also study the effect of the new calculation on the distribution of $Δϕ_{\ell\ell}$ in the overall process $gg o H o W^{+} W^{-} o\ell^{+}\ell^{-}ν\barν$, and the effect of PDF uncertainties on the distributions at the Tevatron and the LHC.

연구 동기 및 목표

• 하드론 충돌기에서 글루온 융합에서의 힉스 보손 횡방향 운동량($Q_T$) 분포에 대한 이론적 예측을 향상시키기 위해.
• 낮은 $Q_T$에서 소프트 글루온 방출로 인해 고정순서 양자장론 이론이 발산하는 문제를 다루기 위해.
• 낮은 $Q_T$에서의 소프트글루온 보정을 ${\cal O}(\alpha_s^4)$ 고정순서 계산과 재결합하여 매끄럽고 정확한 $Q_T$ 스펙트럼을 확보하기 위해.
• 향상된 $Q_T$ 분포가 테바트론과 LHC에서의 $H \to W^+W^- \to \ell^+\ell^-\,\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\nolimits$ 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• CTEQ6.6M 및 CT09 PDF 세트를 사용하여 PDF 불확실성과 스케일 의존성의 영향을 테바트론과 LHC에서의 총 단면적과 $Q_T$ 분포에 대해 평가하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 ResBos 몬테카를로 프로그램을 사용하여 ${\cal O}(\alpha_s^4)$ 고정순서 양자장론 계산과 낮은 $Q_T$에서의 재결합된 분포를 재결합하였다.
• 소프트글루온 재결합은 낮은 $Q_T$에서 큰 로그 $\ln(Q/Q_T)$를 처리하기 위해 Collins-Soper-Sterman(CSS) 형식을 적용하였다.
• 재결합된 분포를 고순서 결과와 높은 $Q_T$에서 매끄럽게 연결하여 $Q_T$ 스펙트럼 전반에 걸친 부드러운 전이를 확보하였다.
• 향상된 예측의 정당성을 검증하기 위해 총 단면적을 NNLO 계산과 비교하였다.
• PDF 불확실성은 CTEQ6.6M와 CT09 PDF 세트를 사용하여 평가되었으며, CTEQ6.6M 패키지의 44개의 PDF 세트에서 유도된 오차 밴드가 사용되었다.
• 스케일 의존성은 재결합 및 인식 스케일 $\mu_R = \mu_F$를 $\mu_0/4$에서 $2\mu_0$로 변화시켜 분석하였으며, $\mu_0 = m_H$이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ${\cal O}(\alpha_s^4)$ 고정순서 계산과 소프트글루온 보정을 재결합함으로써 글루온 융합에서의 힉스 보손 $Q_T$ 분포는 어떻게 향상되는가?
• RQ2 향상된 $Q_T$ 스펙트럼은 $H \to W^+W^- \to \ell^+\ell^-\,\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\nolimits$ 붕괴 채널에서의 $\Delta\phi_{\ell\ell}$ 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 PDF 불확실성과 스케일 의존성은 테바트론과 LHC에서의 총 단면적과 $Q_T$ 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이전의 ${\cal O}(\alpha_s^3)$ 고정순서 계산에 비해 $Q_T$ 스펙트럼의 매끄러움과 정확도는 얼마나 향상되었는가?
• RQ5 총 단면적과 $Q_T$ 형태 측면에서 새로운 예측은 NNLO 계산과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 향상된 $Q_T$ 분포는 이전의 ${\cal O}(\alpha_s^3)$ 고정순서 계산에 비해 높은 $Q_T$에서 상당히 증가하였다.
• 재결합된 분포와 고정순서 결과 간의 매칭은 특히 $Q_T \sim 0$ 근처에서 $Q_T$ 스펙트럼 전반에 걸쳐 매우 매끄러운 전이를 가능하게 하였다.
• 총 단면적이 증가하였고, 다음다음최고순서(Next-to-Next-to-Leading-Order, NNLO) QCD 계산과 더 잘 일치하게 되었다.
• LHC에서 14 TeV 중심질량 에너지 조건에서, $100~{}\mathrm{GeV} \leq m_H \leq 600~{}\mathrm{GeV}$ 범위에서 힉스 보손 생성 단면적의 PDF 불확실성은 5% 이하로 감소하였다.
• 테바트론에서는 PDF 불확실성이 여전히 더 크며, $100~{}\mathrm{GeV} \leq m_H \leq 200~{}\mathrm{GeV}$ 범위에서 최대 14%에 이르렀지만, 업데이트된 CT09 PDF 세트를 사용함으로써 감소하였다.
• 스케일 의존성이 PDF 불확실성보다 더 우세하였으며, 스케일을 $\mu_0/4$에서 $2\mu_0$로 변화시킬 경우 테바트론에서 최대 +40%, LHC에서 최대 +20%의 단면적 변화가 관찰되었다.