[논문 리뷰] Final-state interactions of the Higgs boson in quark-gluon matter

D. d’Enterria, C. Loizides|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 18.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 유한온도 QCD 양자장 이론을 사용하여 쿼크-글루온 플라즈마(QGP)에서 힉스 보존 최종 상태 상호작용을 재평가한다. 이전에 忽略된 열성 가상 보정이 매질에 의해 유도된 실방출 및 흡수 효과를 상쇄함을 보여주며, LHC 및 FCC 충돌에서 힉스 보존의 억제는 극히 미미하며, (T/mH)⁴ 의존성으로 인해 부분적 붕괴 너머가 약 ∼10⁻⁶에서 10⁻⁸ 정도로 수정됨을 확인한다. 이는 이전의 1차 순서 양성적 QCD 계산에 기반한 추정치와의 모순을 해결한다.

ABSTRACT

In the first version of this paper \cite{dEnterria:2018bqi}, we presented a study of the final-state interactions of the Higgs boson in the hot and dense quark-gluon systems produced in pp, pPb, and PbPb collisions at CERN LHC and FCC energies. By computing the leading-order diagrams of the Higgs-parton scattering cross sections in perturbative QCD, and by embedding the produced Higgs bosons in an expanding quark-gluon medium modeled with 2D+1 viscous hydrodynamics with various QCD equations of state, we presented estimates of the expected scalar boson yields as functions of transverse momentum $p_{ m T}^{H}$, and produced medium space-time size. A moderate suppression of the scalar boson yields was predicted due to medium-enhanced $H o gg,q\bar{q}$ decays, in detriment of the $H oγγ, 4\ell$ channels that are typically used to observe the Higgs particle. After our work appeared, J. Ghiglieri and U. Wiedemann \cite{Ghiglieri:2019lzz} have presented thermal-field-theory calculations that indicate that the $H o gg,q\bar{q}$ partial decays widths remain basically unaffected by interactions with surrounding partons in the kinematic range of relevance of our study. Such a theoretical result, in contradiction with our estimates, has brought us to revisit our calculations and to realize of the quantitative importance of thermal virtual corrections, neglected in our first work, that are as large as the real ones and of opposite sign. Such virtual corrections significantly reduce the Higgs-parton "absorption" cross sections originally computed in Ref. \cite{dEnterria:2018bqi}, and make the Higgs boson suppression negligible in the kinematic regime considered.

연구 동기 및 목표

• 이전의 1차 순서 양성적 QCD 추정치에서 예측한 쿼크-글루온 플라즈마(QGP) 내 힉스 보존 억제가 심각한 반면, 새로운 열장 이론 계산에서는 극히 미미한 효과를 보이는 데 대한 모순을 해결하기 위해.
• 뜨거운 QGP 매질 내에서 힉스 보존 붕괴(H→gg, H→q̄q)에 있어 열성 가상 보정의 역할을 조사하기 위해.
• LHC 및 FCC 에너지에서 pp, pPb, PbPb 충돌에서 매질 강화된 힉스-파트온 산란 및 붕괴 과정이 힉스 보존 수확에 상당한 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 유한온도 장 이론의 운영곱전개(OPE) 결과와 1차 순서 양성적 QCD 계산 간의 견해 차이를 조율하기 위해.
• collider 실험에 관련된 운동역학적 영역에서 열보정이 힉스 부분 붕괴 너머에 미치는 정량적 영향을 결정하기 위해.

제안 방법

• 유한온도 양성색역학(QCD)에서 운영곱전개(OPE)를 사용하여 힉스 부분 붕괴 너머의 열보정을 계산하기 위해.
• 세 가지 유형의 기여를 계산: 실방출(예: H→ggg), 실흡수(예: gH→gg), 그리고 진공 진폭과 간섭하는 열성 가상 보정.
• 가벼운 쿼크를 배제하는 쿼치드 근사(Quenched approximation)를 적용하여 계산을 단순화하면서도 주요 적외선 상쇄 메커니즘을 유지한다.
• 스케일링 δΓ/Γ ≈ καs(T/mH)⁴를 통해 힉스 붕괴 너머 수정의 온도 의존성을 평가하며, |κ| ≈ 30–400이다.
• 이전의 1차 순서 양성적 QCD 추정치(실과정만 포함하고 고차항 보정을 위한 K-팩터를 적용)와 OPE 기반 열장 이론 결과를 비교한다.
• 실과정과 가상과정의 발산 항 간의 상호작용을 분석하여, 1차 양성적 이론에서의 상쇄가 이루어짐을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 열성 가상 보정이 쿼크-글루온 플라즈마에서 힉스 보존 붕괴 너머에 상당한 영향을 미치는가? 만약 그렇다면, 중간체에서의 예측된 억제에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 왜 이전의 1차 순서 양성적 QCD 계산은 QGP 내에서 측정 가능한 힉스 억제를 예측하는 반면, 열장 이론 계산에서는 극히 미미한 효과를 보이는가?
• RQ3 뜨거운 QGP에서 H→gg 및 H→q̄q의 부분 붕괴 너머에 대한 정량적 온도 의존성은 무엇이며, T/mH에 따라 어떻게 스케일링되는가?
• RQ4 실방출, 실흡수, 가상 보정이 힉스 붕괴에 어떻게 간섭하며, 이들의 총합 효과는 매질 내 총 붕괴 너머에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 모든 기여(가상항 포함)를 일관되게 포함했을 때, 매질에 의해 수정된 힉스 산란 과정에서의 적외선 발산은 어느 정도 상쇄되는가?

주요 결과

• 매질 내 힉스-파트온 산란에 대한 열성 가상 보정은 실방출 및 흡수 과정와 크기는 같지만 부호는 반대이므로 강한 상쇄를 이룬다.
• 매질에 의한 힉스 부분 붕괴 너머 Γ(H→gg) 및 Γ(H→q̄q)의 순수 보정은 δΓ/Γ ≈ καs(T/mH)⁴로 스케일링되며, |κ| ≈ 30–400 이다. 이에 따라 LHC 관련 온도에서 수정 폭은 약 ∼10⁻⁶에서 10⁻⁸ 수준에 그친다.
• LHC 및 FCC에서 pp, pPb, PbPb 충돌의 운동역학 영역에서 예측된 힉스 보존 억제는 극히 미미하며, 이는 이전의 추정치와는 정반대이다.
• OPE 프레임워크 내에서 모든 항을 일관되게 포함함으로써 실과정과 가상과정 간의 적외선 발산 상쇄가 달성되며, 유한하고 물리적인 결과를 보장한다.
• (T/mH)⁴ 스케일링은 힉스 붕괴에 상당한 수정이 발생하려면 전이 온도 근처(즉, T ≈ mH)에서만 가능하다는 것을 시사하며, 이는 현재의 충돌 실험에서 접근 불가능하다.
• 이전의 1차 순서 양성적 QCD 추정치(예: Higgs-파트온 산란에 대해 σ ≈ 1–50 μb)와 새로운 장 이론 결과 간의 견해 차이는 열성 가상 보정의 누락에 기인하며, 이는 적외선 유한성과 물리적 정확성에 필수적이다.