[论文解读] Higgs pair production at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy at the LHC

Daniel de Florian, Javier Mazzitelli|arXiv (Cornell University)|May 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 12被引用 15

一句话总结

本文在重顶夸克极限下，针对大型强子对撞机（LHC）胶子融合过程中的Higgs粒子对产生，实现了下一阶对数（NNLL）阈值重求和，并与下一阶对数（NNLO）截面一致匹配。在14 TeV质心系能量下，该重求和使总截面增加了6.8%，并使微扰不确定性降低至±5.5%，结果在尺度变化下表现出极强的稳定性。

ABSTRACT

We perform the threshold resummation for Higgs pair production in the dominant gluon fusion channel to next-to-next-to-leading logarithmic (NNLL) accuracy. The calculation includes the matching to the next-to-next-to-leading order (NNLO) cross section obtained in the heavy top-quark limit, and results in an increase of the inclusive cross section up to 7% at the LHC with centre-of-mass energy Ecm=14TeV, for the choice of factorization and renormalization scales $μ_F=μ_R=Q$, being Q the invariant mass of the Higgs pair system. After the resummation is implemented, we estimate the theoretical uncertainty from the perturbative expansion to be reduced to about +-5.5%, plus ~10% from finite top-mass effects. The resummed cross section turns out to be rather independent of the value chosen for the central factorization and renormalization scales in the usual range (Q/2,Q).

研究动机与目标

• 通过重求和阈值增强的软胶子修正，提高LHC中Higgs粒子对产生截面的理论精度。
• 通过包含固定阶NNLO之外的高阶QCD修正，减少截面预测中的微扰不确定性。
• 评估在高亮度LHC背景下，因子化和重整化尺度变化对截面预测稳定性的影响。
• 量化有限顶夸克质量效应对截面的影响，估算其不确定性贡献。
• 为升级后的LHC中Higgs自耦合测量提供稳健且尺度稳定的预测。

提出的方法

• 在胶子融合通道中，将Higgs粒子对产生的阈值重求和推进到下一阶对数（NNLL）精度。
• 在重顶夸克极限下采用有效理论方法，Higgs-胶子耦合由包含$ C_H $和$ C_{HH} $系数的有效拉格朗日量导出。
• 将重求和截面与同一有效理论中的精确NNLO结果匹配，确保所有阶次的一致性。
• 应用Mellin变换技术处理矩空间中的重求和，随后通过逆变换回到物理空间。
• 通过在$ Q $（Higgs粒子对不变质量）附近变动$ \mu_F $和$ \mu_R $，评估尺度依赖性以评估理论不确定性。
• 利用现有NLO结果和重加权技术估算有限顶夸克质量效应，为有效理论结果增加约10%的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NNLL精度下，阈值增强的软胶子修正对Higgs粒子对产生的大小是多少？
• RQ2 包含NNLL重求和后，Higgs粒子对产生截面的尺度依赖性如何变化？
• RQ3 将重求和结果与NNLO截面匹配，对最终截面值和不确定性有何影响？
• RQ4 在因子化和重整化尺度变化下，重求和预测与固定阶结果相比在稳定性方面表现如何？
• RQ5 在有效理论近似下，有限顶夸克质量效应的不确定性估计是多少？

主要发现

• 在$ \sqrt{s} = 14 \text{ TeV}$且$ \mu_F = \mu_R = Q $时，NNLL重求和使总Higgs粒子对产生截面增加了6.8%。
• 微扰展开的理论不确定性从NNLO时的±8.5%降低至NNLL时的±5.5%。
• 重求和截面对中心尺度的选择几乎不敏感，$ \mu_0 = Q $与$ \mu_0 = Q/2 $之间的差异可忽略，表明尺度稳定性显著改善。
• 有限顶夸克质量效应为截面预测额外贡献约±10%的不确定性。
• 微扰不确定性现在小于强耦合和部分子分布函数的不确定性，后者在14 TeV时估计为±7.5%。
• NNLL预测与单Higgs产生过程的N³LO结果一致，支持将$ \mu_0 = Q $作为标准选择。