[논문 리뷰] Next-to-Leading Order Corrections to Higgs Boson Pair Production in Gluon Fusion

Matthias Kerner|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 30인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 SecDec를 통한 수치적 두 루프 적분을 사용하여, 전체 탑 쿼크 질량 의존성을 고려한 글루온 융합에서의 힉스 보손 쌍 생성에 대한 다음 주로 순서(NLO) QCD 계산을 제시한다. 결과적으로 전체 단면적은 헤비탑 근사에서 14% 감소하였으며, 고역면 질량 영역에서는 최대 30%에 이르는 상당한 편차를 보이며, 정확한 LHC 예측을 위해서는 탑 쿼크 질량 효과를 포함시켜야 한다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

We present a calculation of the next-to-leading order QCD corrections to the production of Higgs boson pairs in gluon fusion keeping the full dependence on the mass of the top quark. The virtual corrections, involving two-loop integrals with up to four mass scales, have been calculated numerically and we present an efficient algorithm to obtain accurate results of the virtual amplitude using numerical integrations. Taking the top quark mass into account we obtain significant differences compared to results obtained in the heavy top limit.

연구 동기 및 목표

• 전체 탑 쿼크 질량 의존성을 고려한 글루온 융합에서의 힉스 보손 쌍 생성에 대한 다음 주로 순서 QCD 보정을 계산하기 위해.
• 탑 쿼크 질량이 주요 에너지 척도가 아닐 때 성능이 떨어지는 헤비탑 근사의 한계를 다루기 위해.
• 다양한 질량 척도를 가진 두 루프 진폭을 평가하기 위한 수치적 프레임워크를 개발하고 검증하기 위해.
• 미래의 자동화된 도구를 위한 다중 루프 진폭 계산의 기준점 제공을 위해.

제안 방법

• 가상 진폭은 SecDec 프로그램과의 인터페이스를 통해 수치적으로 계산되어, 최대 네 개의 질량 척도를 가진 두 루프 적분을 통합할 수 있도록 한다.
• 페인만 도형은 Qgraf를 통해 생성되며, Form을 사용해 형식 인자로 투영되고, Reduze를 통해 주요 적분으로 축소되며, 축소 과정에서 질량 척도는 mt = 173 GeV 및 mh = 125 GeV로 고정된다.
• 비평면적 텐서 적분은 수치 평가를 가능하게 하기 위해 스칼라 곱으로 재작성되며, 교차 변형을 포함해 총 327개의 적분이 도출된다.
• 동적 샘플링 포인트 조정 기능을 갖춘 준몬테카를로 적분 알고리즘을 사용하여 고정밀도로 가상 진폭을 계산한다.
• 두 번째 구현체와의 검증 및 HEFT 및 1/m_t^2 전개 결과와의 비교를 통해 계산을 검증한다.
• 스케일 불확실성은 μR 및 μF를 μ = mhh/2 기준으로 두 배로 변화시켜 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 탑 쿼크 질량 효과는 헤비탑 근사 대비 글루온 융합에서의 힉스 보손 쌍 생성 NLO 단면적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 보어 개선형 힉스 효과적 장 이론(HEFT)은 고역면 질량 또는 고가로 운동량 영역에서 미분 분포를 얼마나 잘못 기술하는가?
• RQ3 해석적 해가 존재하지 않을 경우, 수치적 두 루프 적분 기법이 가상 진폭을 정확히 포괄할 수 있는가?
• RQ4 특히 탑 쿼크 임계값 근처에서, NLO 보정은 다양한 위상공간 영역에서 어떻게 변화하는가?
• RQ5 탑 쿼크 질량 효과는 총 단면적과 분포의 K-요인에 대해 정량적으로 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 전체 NLO 단면적은 32.90+14%−13% fb이며, HEFT 근사의 38.32 fb 대비 14% 감소하였다.
• 고역면 질량 영역(mhh > 400 GeV)에서 탑 쿼크 질량 효과는 HEFT 결과 대비 단면적을 20–30% 감소시켰다.
• 고 mhh 영역에서 K-요인(NLO/LO)은 크게 감소하는 반면, HEFT 근사는 K-요인의 증가를 보이며 이 영역에서 근사의 붕괴를 시사한다.
• NLO 결과는 가로 운동량 분포에서 거의 일정한 K-요인을 보이며, 반면 HEFT 근사는 고 pT,h 영역에서 보정을 과대평가한다.
• 1/m_t^2 전개는 탑 임계값 이하(mhh < 2mt)에서는 전체 진폭으로 수렴하지만, 더 높은 역면 질량에서는 진폭을 정확히 기술하지 못한다.
• 수치적으로 계산된 가상 진폭은 저역면 질량에서는 1/m_t^2 전개와 잘 일치하지만, 고역면 질량에서는 발산하며 전체 탑 쿼크 질량 의존성의 중요성을 확인한다.