[논문 리뷰] Higgs boson production in association with a jet at NNLO using jettiness subtraction

Radja Boughezal, Christfried Focke외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 51

한 줄 요약

이 논문은 QCD에서 적외선 특이성을 다루기 위한 새로운 방법인 제트성질 감소 방법을 사용하여, 강입자 충돌에서 제트와 함께 생성되는 힉스 보존의 완전한 다음다음최고순서(NNLO) 계산을 제시한다. 저자들은 글루온으로 시작되는 채널에 대해 이전 결과를 확인하고, 쿼크로 시작되는 과정까지 계산을 확장하여 그 현상학적 영향이 미미하다는 것을 밝혔다. 결과들은 이전 계산과 뛰어난 일치를 보이며, NNLO에서의 양자장론 급수 전개가 잘 제어되어 있음을 보여주며, 스케일 불확실성이 감소하고 다양한 순서에서 분포가 안정됨을 입증한다.

ABSTRACT

We use the recently proposed jettiness-subtraction scheme to provide the complete calculation of Higgs boson production in association with a jet in hadronic collisions through next-to-next-to-leading order in perturbative QCD. This method exploits the observation that the $N$-jettiness event-shape variable completely describes the singularity structure of QCD when final-state colored particles are present. Our results are in agreement with a recent computation of the $gg$ and $qg$ partonic initial states based on sector-improved residue subtraction. We present phenomenological results for both fiducial cross sections and distributions at the LHC.

연구 동기 및 목표

• 강입자 충돌에서 제트와 함께 생성되는 힉스 보존의 완전한 NNLO QCD 계산을 제공함. 이는 모든 부분입자 초기 상태를 포함한다.
• 최근 제안된 제트성질 감소 방법이 최종 상태 제트를 포함하는 과정에서 적외선 특이성을 다루는 일반적인 방법으로 적용되고 검증됨.
• 이전에 $gg$ 및 $qg$ 초기 상태에 국한된 NNLO 결과를 확인하고, 이 수준에서 처음으로 쿼크로 시작하는 채널까지 확장함.
• LHC에서의 힉스 및 주요 제트의 군집 단면적과 운동학적 분포에 대한 상세한 현상학적 예측을 제시함.
• NNLO 보정이 LHC에서의 이론적 불확실성과 페르투르바티브 급수의 안정성에 어떤 영향을 미치는지 평가함.

제안 방법

• 제트성질 감소 방법이 사용되었으며, 실방사에서 발생하는 적외선 특이성을 분리하고 제거하기 위해 $N$-제트성질 변수 $\mathcal{T}_N$ 를 활용한다.
• 이 방법은 하드, 비드, 소프트, 제트 함수로 분리된 단면적의 인과적 분해에 기반하며, $\mathcal{T}_1$ 이 $H$+제트 과정의 전역 적외선 조절자로 기능한다.
• 감소 항은 실방사 앰플리튜드의 특이성 구조를 재현하도록 구성되어 있어, NNLO에서 유한하고 적외선 안정적인 계산이 가능하다.
• 계산은 $\overline{\text{MS}}$ 체계를 사용하며, $\alpha_s$ 는 스케일 $\mu = m_H$ 에서 평가하고, 매 페르투르바티브 순서에서 NNPDF3.2 PDF를 사용한다.
• 문헌에 알려진 결과들과 교차검증되었으며, 최근에 섹터 개선 잔여 감소 방법을 사용한 $gg$ 및 $qg$ 채널 계산 결과와 비교됨.
• 수치적 결과는 $\overline{\text{MS}}$ 체계와 NNPDF3.2 PDF 세트를 사용하였으며, 이론적 불확실성을 추정하기 위해 스케일 변동을 적용함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트성질 감소 방법이 제트를 포함하는 비정상적인 QCD 과정, 예를 들어 힉스 보존과 함께 제트가 생성되는 과정에 성공적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 NNLO에서 쿼크로 시작하는 부분입자 채널을 포함함으로써 힉스+제트 생성에 어떤 현상학적 영향을 미치는가?
• RQ3 NNLO 보정은 LHC에서의 힉스 및 주요 제트의 군집 단면적과 운동학적 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NNLO 보정은 낮은 순서에 비해 페르투르바티브 급수의 안정성과 이론적 불확실성을 얼마나 줄이는가?
• RQ5 다른 감소 방법, 예를 들어 섹터 개선 잔여 감소 방법에 기반한 이전 계산과 비교하여 결과는 정량적으로 어떻게 다른가?

주요 결과

• 군집 단면적은 $\mu = m_H$ 의 중심 스케일 선택에서 NNLO에서 $5.5^{+0.3}_{-0.4}$ pb이며, 이는 이전 순서보다 스케일 불확실성이 감소함을 나타낸다.
• NNLO에서 쿼크로 시작하는 채널을 포함함으로써 군집 영역 내 총 단면적에 기여하는 비율은 1.5% 미만이며, 이는 현상학적으로 미미한 영향을 미친다는 것을 의미한다.
• 주요 제트 빠르도 분포에 대한 NLO 보정은 중심 영역에서 $|Y^{\text{jet}}| = 2.5$ 근처보다 10–20% 더 크며, NNLO 보정은 평탄하고 NLO 스케일 변동 밴드 내에 완전히 포함된다.
• $p_T^{\text{jet}}$ 분포는 LO에서 NLO로, 그리고 NLO에서 NNLO로 갈수록 내림세인 $K$-요인을 보이며, NNLO 결과는 NLO 스케일 변동 밴드 내에 포함된다.
• 히iggs 횡방향 운동량 분포는 $p_T^H = 60$ GeV 근처에서 NLO에서 $K$-요인이 40–120% 수준이지만, 중심 스케일 선택 $\mu = m_H$ 에서 NNLO에서는 최대 20%로 감소한다.
• $p_T^{\text{jet}}$ 와 $p_T^H$ 분포에 대한 NNLO 보정 결과는 섹터 개선 잔여 감소 방법을 사용한 이전 $gg$ 및 $qg$ 채널 계산 결과와 뛰어난 일치를 보였다.