[论文解读] Improved Predictions for Higgs Q_T at the Tevatron and the LHC

Qing-Hong Cao, Chuan-Ren Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 12, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文通过在ResBos蒙特卡洛程序中将下一阶下一微扰阶（NNLO）固定阶计算与软胶子修正的重求和匹配，改进了顶夸克对撞机和大型强子对撞机上胶子融合过程中的希格斯玻色子横动量（$Q_T$）分布。新计算在高$Q_T$区域提升了$Q_T$谱，在小$Q_T$区域减少了发散，并使总截面更符合NNLO预测，从而提高了希格斯信号搜索的精度。

ABSTRACT

The search for the Higgs boson at the Tevatron and the LHC relies on detailed calculations of the kinematics of Higgs boson production and decay. In this paper, we improve the calculation of the distribution in transverse momentum, $Q_T$, of the Higgs boson in the gluon fusion production process, $gg o H$, by matching the resummed distribution at small $Q_T$ with the ${\cal O}(α_{s}^4)$ fixed-order perturbative calculation at high $Q_T$ in the ResBos Monte Carlo program. The distribution is higher at large $Q_T$ than with the old ${\cal O}(α_{s}^3)$ fixed-order perturbative calculation, and the matching with the resummed calculation is much smoother. The total cross section is also increased, more in line with next-to-next-to-leading-order calculations. We also study the effect of the new calculation on the distribution of $Δϕ_{\ell\ell}$ in the overall process $gg o H o W^{+} W^{-} o\ell^{+}\ell^{-}ν\barν$, and the effect of PDF uncertainties on the distributions at the Tevatron and the LHC.

研究动机与目标

• 改进强子对撞机中胶子融合过程希格斯玻色子横动量（$Q_T$）分布的理论预测。
• 解决由于小$Q_T$区域软胶子辐射导致的固定阶微扰理论发散问题。
• 将重求和软胶子修正与${\cal O}(\alpha_s^4)$固定阶计算匹配，以获得平滑且精确的$Q_T$谱。
• 评估改进后$Q_T$分布对顶夸克对撞机和大型强子对撞机上$H \to W^+W^- \to \ell^+\ell^-$衰变道中$\Delta\phi_{\ell\ell}$分布的影响。
• 评估部分子分布函数（PDF）不确定性与尺度依赖性对总截面和$Q_T$分布的影响。

提出的方法

• 作者使用ResBos蒙特卡洛程序，将${\cal O}(\alpha_s^4)$固定阶微扰计算与小$Q_T$区域的重求和分布进行匹配。
• 采用Collins-Soper-Sterman（CSS）形式化方法进行软胶子重求和，以处理小$Q_T$区域的对数发散$\ln(Q/Q_T)$。
• 在高$Q_T$区域将重求和分布与固定阶结果匹配，确保$Q_T$谱中各区域的平滑过渡。
• 将总截面与NNLO计算结果对比，以验证改进后预测的准确性。
• 使用CTEQ6.6M和CT09 PDF集评估PDF不确定性，误差带基于CTEQ6.6M包中的44套PDF集获得。
• 通过将重整化与因子化尺度$\mu_R = \mu_F$在$\mu_0/4$到$2\mu_0$之间变化（其中$\mu_0 = m_H$）研究尺度依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 将${\cal O}(\alpha_s^4)$固定阶计算与软胶子重求和修正匹配，如何改善胶子融合过程中希格斯玻色子的$Q_T$分布？
• RQ2 改进后的$Q_T$谱对$H \to W^+W^- \to \ell^+\ell^-\,\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\!\nolimits$衰变道中$\Delta\phi_{\ell\ell}$分布的影响？
• RQ3 PDF不确定性与尺度依赖性如何影响顶夸克对撞机和大型强子对撞机上的总截面与$Q_T$分布？
• RQ4 与之前的${\cal O}(\alpha_s^3)$固定阶计算相比，$Q_T$谱的平滑性与准确性有何提升？
• RQ5 在总截面与$Q_T$形状方面，新预测与NNLO计算相比有何差异？

主要发现

• 改进后的$Q_T$分布相较于之前的${\cal O}(\alpha_s^3)$固定阶计算，在高$Q_T$区域显著提高。
• 重求和与固定阶计算的匹配使得$Q_T$谱中各区域的过渡更加平滑，尤其在$Q_T \sim 0$附近表现更优。
• 总截面得到提升，并与下一阶下一微扰阶（NNLO）QCD计算结果更加一致。
• 在大型强子对撞机14 TeV质心系能量下，对于$100~{}\mathrm{GeV} \leq m_H \leq 600~{}\mathrm{GeV}$的范围，希格斯玻色子产生截面的PDF不确定性已降低至5%以下。
• 在顶夸克对撞机上，PDF不确定性仍较大，对于$100~{}\mathrm{GeV} \leq m_H \leq 200~{}\mathrm{GeV}$范围可达14%，但使用更新的CT09 PDF集后有所减小。
• 尺度依赖性主导PDF不确定性，当尺度从$\mu_0/4$变化到$2\mu_0$时，顶夸克对撞机的截面变化最大可达+40%，大型强子对撞机则为+20%。