[논문 리뷰] Four-jet event shapes in hadronic Higgs decays

A. Gehrmann–De Ridder, Christian T. Preuss외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 10. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 EERAD3 몬테카를로 생성기 내의 앤티나 빼기 프레임워크를 사용하여, 강입자 힉스 붕괴에서 네제트 유사 이벤트 형상 관측량에 대한 최초의 다음 주요 순서(NLO) 양자 chromodynamics(QCD) 예측을 제시한다. 이는 H→b¯b 및 H→gg 붕괴 모드 간에 상당한 형태의 차이를 보이며, 특히 H→gg 채널에서 고차항 보정이 강화되어 뚜렷한 피크 이동이 발생함을 드러낸다.

ABSTRACT

We present next-to-leading order perturbative QCD predictions for four-jet-like event-shape observables in hadronic Higgs decays. To this end, we take into account two Higgs-decay categories: involving either the Yukawa-induced decay to a $b\bar{b}$ pair or the loop-induced decay to two gluons via an effective Higgs-gluon-gluon coupling. We present results for distributions related to the event-shape variables thrust minor, light-hemisphere mass, narrow jet broadening, $D$-parameter, and Durham four-to-three-jet transition variable. For each of these observables we study the impact of higher-order corrections and compare their size and shape in the two Higgs-decay categories. We find large NLO corrections with a visible shape difference between the two decay modes, leading to a significant shift of the peak in distributions related to the $H o gg$ decay mode.

연구 동기 및 목표

• 강입자 힉스 붕괴에서 네제트 유사 이벤트 형상 관측량에 대한 NLO QCD 보정을 최초로 계산하기 위해.
• Yukawa 유도된 H→b¯b 및 고리 유도된 H→gg 붕괴 카테고리 간의 NLO 보정 크기, 형태, 그리고 고차항 안정성의 비교를 위해.
• 향후 렙톤 충돌기에서의 정밀도 연구를 위한 필수 이론적 입력을 제공하기 위해, 특히 제트 관측량에 대한 NNLO 및 N3LO 계산을 위해.
• 특히 H→gg 채널에서 이벤트 형상 분포를 이용한 힉스 붕괴 모드 간의 식별을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• NLO 계산에서의 적외선 및 충돌 특이성을 다루기 위해 앤티나 빼기 프레임워크를 사용하였다.
• Born 수준에서 네파트온 최종 상태를 포함한 강입자 힉스 붕괴를 지원하도록 EERAD3 파arton 수준 몬테카를로 생성기를 확장하였다.
• 두 가지 다른 힉스 붕괴 카테고리인 유한한 Yukawa 결합을 가진 H→b¯b와 효과적인 힉스-글루온-글루온 결합을 통한 H→gg를 다루었다.
• 효과 이론 근사에서 질량이 없는 b 쿼크와 무한히 무거운 토퍼 쿼크를 사용하였다.
• 신뢰할 수 있는 불확실성 추정을 위해 OpenLoops2와 일관된 척도 변동 및 재정규화 체계를 적용하였다.
• 기존의 극한과 일관성을 확보하고 적외선 및 충돌 영역에서의 일관성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLO QCD 보정은 강입자 힉스 붕괴에서 네제트 이벤트 형상 분포의 형태와 정규화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 H→b¯b 및 H→gg 붕괴 모드 간의 NLO 보정 크기와 형태는 어떻게 다른가?
• RQ3 스러움, D-파라미터와 같은 이벤트 형상 관측량이 두 힉스 붕괴 카테고리 간에 얼마나 잘 구분되는가?
• RQ4 H→gg 채널에서 NLO 보정으로 인해 이벤트 형상 분포의 피크 위치가 H→b¯b에 비해 얼마나 이동하는가?
• RQ5 고차항 보정은 이러한 관측량의 적외선 행동에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 모든 이벤트 형상 분포는 LO에서 적외선 극한에서 특징적인 발산을 보이며, NLO 예측은 음의 무한대로 향하는 발산 이전에 피크를 형성한다.
• NLO 보정은 크기가 크며, H→b¯b 붕괴 모드에서는 관측량에 따라 1.7에서 2.3의 K因수를 보이고, H→gg 모드에서는 1.3에서 1.8의 K因수를 보인다.
• H→b¯b 붕괴에서는 NLO 보정의 형태가 더 평탄한 반면, H→gg 붕괴에서는 더 곡선진 형태를 보이며, 글루온 채널에서 더 강한 비선형 역학적 특성이 있음을 시사한다.
• H→gg 모드에서 뚜렷한 피크 이동이 관측되었으며, 이는 적외선 극한(log(y34) = −5.6)에서 벗어나 H→b¯b 모드(log(y34) = −8.1)보다 더 멀리 이동한 것을 의미한다.
• LO와 NLO 예측의 교차점 역시 H→gg 채널에서 이동하여, 두 붕괴 카테고리 간에 눈에 띄는 형태의 차이를 반영한다.
• D-파라미터와 스러움은 가장 큰 NLO 보정을 보이며, 좁은 제트 브로드닝과 라이트-헤미스피어 질량은 약간 더 작은 보정을 보인다.