[论文解读] Associated Top Quark-Higgs Boson Production at the LHC

S. Dawson, Orr, L. H.+2 more|ArXiv.org|Nov 28, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 145

一句话总结

本文计算了在LHC上质心系能量为14 TeV的条件下，顶夸克-希格斯玻色子联合产生过程 $pp \to t\bar{t}h$ 的次领头阶（NLO）QCD修正，研究了包括交叉截面在内的理论精度。NLO修正显著降低了尺度依赖性，并使高于顶夸克质量的尺度下交叉截面提高20–40%，从而提升了对顶夸克Yukawa耦合的测量精度，并增强了对标准模型之外新物理的探测能力。

ABSTRACT

We compute the O(alpha_s^3) inclusive cross section for the process pp -> t-tbar-h in the Standard Model, at sqrt(s)=14 TeV. The next-to-leading order corrections drastically reduce the renormalization and factorization scale dependence of the Born cross section and increase the total cross section for renormalization and factorization scales larger than m_t. These corrections have important implications for models of new physics involving the top quark.

研究动机与目标

• 在LHC上质心系能量为14 TeV的条件下，计算 $pp \to t\bar{t}h$ 过程的 $\mathcal{O}(\alpha_s^3)$ 本征交叉截面。
• 减少在Born阶交叉截面中由重整化和因子化尺度引起的理论不确定性。
• 提升对顶夸克-希格斯玻色子耦合测量的精度，以检验标准模型并探测新物理。
• 为解释Higgs玻色子搜寻和耦合研究中的 $t\bar{t}h$ 产生过程，提供一个可靠的理论框架。

提出的方法

• 采用次领头阶（NLO）QCD修正，使用 $\overline{\text{MS}}$ 方案，计算 $\mathcal{O}(\alpha_s^3)$ 的部分子交叉截面。
• 通过包含自能、顶点、盒子和五边形图的单圈图计算虚修正，其中顶夸克和希格斯玻色子为有质量粒子。
• 利用双极子减法方法和单截断相空间切片（PSS）方法处理实修正，以分离红外奇异性。
• 包括 $q\bar{q}$、$gg$ 和 $(q,\bar{q})g$ 初始态，并完整包含 $1/N_c$ 的次-leading色结构。
• 使用部分子分布函数（LO使用CTEQ4L，NLO使用CTEQ4M），并以两圈（NLO）和一圈（LO）精度演化 $\alpha_s$。
• 通过软和共线近似对红外发散进行解析因子化，并对PSS方法与双极子减法方法的结果进行一致性检验。

实验结果

研究问题

• RQ1 NLO QCD修正如何影响LHC上 $pp \to t\bar{t}h$ 交叉截面的尺度依赖性？
• RQ2 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV条件下，NLO修正使 $t\bar{t}h$ 产生总交叉截面提高多少？
• RQ3 与使用不同红外正则化技术的先前计算相比，本研究结果有何异同？
• RQ4 在虚修正和实修正计算中包含次-leading $1/N_c$ 项的影响是什么？
• RQ5 由于尺度依赖性、部分子分布函数和顶夸克质量引起的NLO交叉截面理论不确定性有多大？

主要发现

• NLO QCD修正使Born阶交叉截面的重整化和因子化尺度依赖性降低了一个多数量级。
• 对于 $\mu > m_t$ 的尺度，NLO交叉截面相比LO结果提高了1.2至1.4倍。
• 在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 且 $M_h = 120$ GeV 时，$\mu = 2m_t + M_h$ 条件下的NLO交叉截面约为1.2 pb，理论不确定性为15–20%。
• 单截断PSS方法与双极子减法方法的结果在统计和系统误差范围内一致，验证了红外正则化方法的可靠性。
• 在 $q\bar{q}$ 初始态修正中包含次-leading $1/N_c$ 项对精度至关重要，且本研究首次在此背景下完成了该计算。
• 本计算首次将PSS方法应用于包含多个末态重粒子的过程，为 $t\bar{t}h$ 产生的NLO精确预测提供了坚实基础。