[논문 리뷰] Inclusive Production Cross Sections at N3LO

Julien Baglio, Claude Duhr외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하드론 충돌기에서 질량이 있는 게이지 보손(VH)과 함께하는 포함형 힉스 보손 생성에 대해 최초로 다음 다음 다음 주요 순서(N³LO) QCD 계산을 제시하며, 정밀한 N³LO 횡단면 계산을 위한 공개 소프트웨어 도구인 n3loxs를 도입한다. W±H 및 ZH 생성에 대한 종합적인 현상물리 예측을 제공하며, 스케일 및 PDF 불확도를 포함하고, N³LO 정확도에서 글로벌 PDF 세트 간에 상당한 1σ 이격이 존재함을 드러낸다.

ABSTRACT

We present for the first time the inclusive cross section for associated Higgs boson production with a massive gauge boson at next-to-next-to-next-to-leading order in QCD. Furthermore, we introduce n3loxs, a public, numerical program for the evaluation of inclusive cross sections at the third order in the strong coupling constant. Our tool allows to derive predictions for charged- and neutral-current Drell-Yan production, gluon- and bottom-quark-fusion Higgs boson production and Higgs boson associated production with a heavy gauge boson. We discuss perturbative and parton distribution function (PDF) uncertainties of the aforementioned processes. We perform a comparison of global PDF sets for a variety of process including associated Higgs boson production and observe $1σ$ deviations among predictions for several processes.

연구 동기 및 목표

• QCD에서 N³LO 정확도로 W± 및 Z 보손과 함께하는 힉스 보손 생성의 포함 횡단면을 계산하여 정밀한 표준모형 현상물리학으로 나아가는 데 필수적인 단계를 확보한다.
• n3loxs를 개발하고 공개하여, Drell-Yan, 글루온-융합 및 보텀 쿼크 융합 힉스 생성, 그리고 VH 생성을 포함한 여러 과정에 대한 N³LO 포함 횡단면을 평가할 수 있는 공개 수치 프로그램을 제공한다.
• N³LO에서의 고전적 스케일 불확도와 양성자 분포 함수(PDF) 불확도를 평가하여 향후 LHC 및 HL-LHC 분석의 기준이 되는 벤치마크를 제공한다.
• 다양한 글로벌 PDF 세트 간의 예측을 비교하여, N³LO 정확도에서 횡단면 예측에 있어 1σ 이격이 발생하는지 확인하고, 고정밀 QCD 계산이 PDF 선택에 얼마나 민감한지 밝힌다.

제안 방법

• 저자들은 고도로 발전된 고정순서 양자색역학(QCD) 기법을 사용하여 포함형 VH 생성에 대한 N³LO QCD 보정을 계산하며, 이는 가상, 실질, 유리수 기여를 포함한다.
• n3loxs 소프트웨어 프레임워크를 구현하여 N³LO 횡단면을 수치적으로 평가하며, Drell-Yan, 글루온 융합 및 보텀 쿼크 융합 힉스 생성, 그리고 VH 생성과 같은 다양한 과정을 지원한다.
• 표준 QCD 관행에 따라, 동적 중심 스케일 선택(μ₀ = MH + MW 또는 MH + MZ) 기준으로 7점 스케일 변동을 사용하여 스케일 불확도를 추정한다.
• PDF 불확도는 PDF4LHC15_nnlo_mc 세트를 사용하여 평가하며, 추가로 PDF+αS 및 PDF-TH 불확도 추정을 통해 PDF와 강한 상호작용 상수 의존성의 영향을 평가한다.
• 코드는 총 횡단면 뿐만 아니라 구간별 횡단면도 지원하여, Z 및 W 보손 피크 부근의 관측 질량 창에서의 미분 예측이 가능하다.
• 현상물리적 결과는 여러 중심질량 에너지(7–100 TeV)에서 제시되며, 횡단면과 불확도에 대한 상세한 표를 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드론 충돌기에서 질량이 있는 게이지 보손(W±H 및 ZH)과 함께하는 포함형 힉스 보손 생성에 대한 N³LO QCD 보정은 무엇인가?
• RQ2 스케일 및 PDF 불확도는 N³LO에서 어떻게 변화하며, 이는 이전 순서들과 비교해 예상되는 수렴성을 보이는가?
• RQ3 다양한 글로벌 PDF 세트는 N³LO에서 VH 생성에 대해 얼마나 다를 수 있는 예측을 내놓는가? 이는 정밀 현상물리학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 n3loxs 코드는 어떤 방식으로 넓은 범위의 과정에 걸쳐 N³LO 횡단면을 정확하고 효율적으로 계산할 수 있게 하는가?
• RQ5 강한 상호작용 상수 αS는 N³LO 예측의 전체 불확도 예산에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• W±H 및 ZH 생성에 대한 포함 횡단면이 N³LO에서 최초로 제시되며, ZH 생성의 경우 √s = 7 TeV에서 0.218 pb에서 100 TeV에서 8.93 pb까지 범위를 가진다.
• N³LO에서 스케일 불확도는 이전 순서보다 감소하였으며, W⁻H의 경우 ±0.22–0.58%, ZH의 경우 ±0.15–0.48%의 변동을 보이며, 더 나은 고전적 수렴성을 나타낸다.
• N³LO에서 PDF 불확도는 ±1.56%에서 ±2.59% 사이이며, 고에너지 및 W⁺H 생성에서 가장 큰 불확도를 보인다.
• 특히 W⁺H 및 ZH 과정에서 글로벌 PDF 세트 간의 횡단면 예측에 1σ 이격이 관측되며, 이는 N³LO 결과가 PDF 선택에 매우 민감함을 시사한다.
• n3loxs 코드는 관측 질량 창에서의 구간별 횡단면을 성공적으로 계산하여, Z 및 W 피크 부근에서 최소 0.5 GeV의 작은 구간 크기로도 미분 예측이 가능하다.
• 연구는 PDF 및 αS 불확도가 여전히 N³LO에서 중요한 요소임을 확인하였으며, 특히 고에너지에서 PDF+αS 및 PDF-TH 불확도가 스케일 불확도를 초월하는 경우가 많다.