[论文解读] Expected Precision of Higgs Boson Partial Widths within the Standard Model

G. Peter Lepage, Paul B. Mackenzie+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 1, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 20

一句话总结

本文主张，通过改进强耦合常数 αₛ 以及底夸克和粲夸克质量（m_b, m_c）的格点 QCD 计算，标准模型对 Higgs 玻色子部分宽度的预测可达到千分之几的精度，从而将参数不确定性降低至当前实验极限以下。结合四阶微扰 QCD 与小于 0.03 fm 的格点间距，H→bb̄、H→cc̄ 和 H→gg 衰变的理论误差可低于 0.1%，达到或超过国际线性对撞机（ILC）的测量目标。

ABSTRACT

We discuss the sources of uncertainty in calculations of the partial widths of the Higgs boson within the Standard Model. The uncertainties come from two sources: the truncation of perturbation theory and the uncertainties in input parameters. We review the current status of perturbative calculations and note that these are already reaching the parts-per-mil level of accuracy for the major decay modes. The main sources of uncertainty will then come from the parametric dependences on alpha_s, m_b, and m_c. Knowledge of these parameters is systematically improvable through lattice gauge theory calculations. We estimate the precision that lattice QCD will achieve in the next decade and the corresponding precision of the Standard Model predictions for Higgs boson partial widths.

研究动机与目标

• 解决对 Higgs 玻色子部分宽度预测实现亚百分之一理论精度的迫切需求，以探测标准模型之外的新物理。
• 识别 αₛ、m_b 和 m_c 的参数不确定性为 Higgs 衰变宽度计算中理论误差的主要来源。
• 证明格点 QCD 模拟可系统性地提高 αₛ 和重夸克质量的精度，以满足未来高精度实验的需求。
• 基于格点 QCD 和微扰 QCD 的进展，预测未来十年 Higgs 部分宽度预测可达到的精度。
• 表明 Higgs 部分宽度的理论不确定性可被降低至低于国际线性对撞机（ILC）的预期实验不确定性，从而实现对新物理的无模型依赖发现。

提出的方法

• 利用格点 QCD 模拟在 Higgs 能标下确定 QCD 耦合常数 αₛ 以及重夸克质量（m_b, m_c）的 MS̄ 方案值。
• 在格点 QCD 中应用伪标量流相关函数的矩方法，以高精度提取 αₛ、m_b 和 m_c。
• 通过考虑更小的格点间距（低至 0.023 fm）、引入四阶微扰 QCD 以及提高统计精度（提升 100 倍）来预测未来改进。
• 将 αₛ、m_b 和 m_c 的不确定性传播至 Higgs 衰变宽度公式中，以估算其对 H→bb̄、H→cc̄、H→gg、H→ττ̄、H→WW* 和 H→ZZ* 部分宽度的影响。
• 在估算 Higgs 部分宽度总不确定度时，考虑各参数误差之间的相关性。
• 将预测的理论误差与国际线性对撞机（ILC）的目标实验精度（H→bb̄ 为 0.3%，H→cc̄ 和 H→γγ 为 0.7%）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 标准模型对 Higgs 玻色子部分宽度预测中的主要理论不确定性来源是什么？
• RQ2 格点 QCD 在多大程度上可提高 αₛ 和重夸克质量（m_b, m_c）的精度，这些是关键输入参数？
• RQ3 通过改进格点 QCD 和微扰 QCD，Higgs 部分宽度的理论不确定性能否降低至千分之几的水平？
• RQ4 预测的理论不确定性与国际线性对撞机（ILC）对 Higgs 耦合的预期实验精度相比如何？
• RQ5 为实现 Higgs 部分宽度预测精度低于 0.1%，格点 QCD 需要哪些改进（例如更细的格点间距、更高的统计量、更高阶微扰理论）？”

主要发现

• 目前 Higgs 部分宽度的理论不确定性处于百分之几的水平，但通过改进微扰 QCD 和格点 QCD，可降低至千分之几的水平。
• 采用 0.023 fm 格点间距的格点 QCD 模拟可使 Higgs 耦合的参数误差降至 0.1% 以下，实现 H→bb̄、H→cc̄ 和 H→gg 衰变的亚 0.1% 精度。
• 引入四阶微扰 QCD 可使参数误差降低至 ILC 实验不确定性的一半左右。
• 将格点统计量提高 100 倍仅带来微小的额外误差降低，表明更细的格点间距和更高阶微扰理论更为关键。
• H→bb̄ 的预测理论不确定性（0.09%）低于 ILC 的目标实验不确定性（0.30%），意味着理论不会限制未来高精度测量。
• 本研究结论认为，格点 QCD 有能力实现 αₛ 和重夸克质量的必要精度，使 Higgs 玻色子部分宽度预测达到千分之几的水平，与或超过 ILC 的目标。