[論文レビュー] Higgs and Z boson associated production via gluon fusion in the SM and the 2HDM

B. Hespel, Fabio Maltoni+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 72被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、標準模型（SM）および二Higgs二重項模型（2HDM）におけるグルーオン融合によるヒッグスおよびZボソンの関連生成について、次-leading-order（NLO）QCD計算とパートンシャワーのマッチングを用いて詳細な研究が行われている。merged 0-および 1-ジェット標本が、特に高ヒッグス横運動量領域において正確な微分分布を得るために不可欠であることが示され、特に $ZH^0$ および $ZA^0$ 生成において、2HDMのベンチマークで顕著な共鳴的増幅および干渉効果が明らかになった。

ABSTRACT

We analyse the associated production of Higgs and $Z$ boson via heavy-quark loops at the LHC in the Standard Model and beyond. We first review the main features of the Born $2 o 2$ production, and in particular discuss the high-energy behaviour, angular distributions and $Z$ boson polarisation. We then consider the effects of extra QCD radiation as described by the $2 o 3$ loop matrix elements, and find that they dominate at high Higgs transverse momentum. We show how merged samples of 0-- and 1--jet multiplicities, matched to a parton shower can provide a reliable description of differential distributions in $ZH$ production. In addition to the Standard Model study, results in a generic two-Higgs-doublet-model are obtained and presented for a set of representative and experimentally viable benchmarks for $Zh^0$, $ZH^0$ and $ZA^0$ production. We observe that various interesting features appear either due to the resonant enhancement of the cross-section or to interference patterns between resonant and non-resonant contributions.

研究の動機と目的

• LHCにおける $ZH$ 関連生成の理論的予測を、主要なDrell-Yan過程を超えたグルーオン融合寄与を含めることで改善すること。
• パートンシャワーとのマッチングにより $2\to 2$ および $2\to 3$ マトリックス要素を統合し、微分分布における理論的不確実性を低減すること。
• 特に $Zh^0$、$ZH^0$、$ZA^0$ チャネルにおける共鳴的増幅および干渉効果を通じて、2HDMにおけるSMからの逸脱を調査すること。
• 拡張されたヒッグス系を有する状況における実験的探索のためのベンチマーク予測を提供すること、特に大きな断面積増幅を伴うものである。

提案手法

• SMおよび2HDMの両方において $gg\to ZH$ のNLO QCD振幅を計算するために、MadGraph5_aMC@NLOを用いた。
• Pythia 8によるパートンシャワーのマッチングを用い、0ジェットおよび1ジェット最終状態を統合することで、高 $p_T$ 領域における精度を向上させた。
• $2\to 2$ および $2\to 3$ ループレベルのマトリックス要素を用いて、特に高ヒッグス横運動量領域で支配的な実放射効果をモデル化した。
• 高精度を得るためにソフトグルーオンの再結合を実施し、グルーオン融合成分についてNLO+NLLの精度に到達した。
• 共鳴的および干渉効果を調査するために、異なるヤクバイカップリングおよびヒッグス質量を有する3つの代表的2HDMベンチマークを定義し、評価した。
• SM断面積の検証には vh@nnlo および HVNNLO フレームワークを用い、私的コードを介して2HDMへの実装を拡張した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高ヒッグス横運動量領域における $gg\to ZH$ の微分分布において、$2\to 2$ と $2\to 3$ マトリックス要素はどのように異なる寄与を示すか？
• RQ2 パートンシャワーのマッチングは、$ZH$ 生成予測における理論的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 2HDMにおいて $ZH$ 生成の過程で、特に $ZH^0$ および $ZA^0$ 最終状態においてどのような共鳴的および干渉効果が生じるか？
• RQ4 トップクォークヤクバイカップリングの符号およびヒッグス質量は、2HDMベンチマークにおける断面積増幅にどのように影響するか？
• RQ5 特定の2HDM状況においてグルーオン融合が $ZH$ 生成を支配する可能性はあり、その場合実験的探索戦略にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 高ヒッグス横運動量領域では、$2\to 3$ マトリックス要素の寄与が支配的であり、正確な微分予測を得るにはこれを含める必要がある。
• パートンシャワーにマッチングされたmerged 0-および 1-ジェット標本は、単独のパートンシャワーに比べてスケール不確実性をほぼ半減させた。
• 2HDMにおいて、$m_Z + m_{A^0}$ に近いエネルギー領域での共鳴的 $ZA^0$ 生成は、特にベンチマークB3において顕著な断面積増幅を引き起こした。
• $ZH^0$ 生成において、$H^0$ が $A^0$ よりも重いと、$H^0ZA^0$ カップリングが抑制されないため、大きな断面積が得られた。
• $ZH^0$ 生成における三角形図とボックス図の干渉は、ベンチマークB1で破壊的干渉を引き起こし、裾野領域での断面積を抑制した。
• $gg\to ZH$ チャネルは、14 TeVにおけるSMで全NNLO断面積の約10%を占め、非常に強いスケール依存性を示すが、無限大のトップクォーク質量近似下ではNLO補正によりその依存性が低減された。