[論文レビュー] NLO Electroweak Corrections to Multi-Boson Processes at a Muon Collider

Pia Bredt, Wolfgang Kilian+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、将来のミューオン衝突機における、最大4個の最終状態ゲージおよびヒッグスボソンを含む多ボソン過程に対する次-leading-order（NLO）電弱補正を、WHIZARD+RECOLAフレームワーク内でのFKS減算法を用いて計算している。その結果、初期状態放射と虚仮想補正に起因する大きなスダコフ対数項が、高エネルギー域においてヒッグスストレーリングおよび多ボソン生成断面積を顕著に抑制することが判明した。14 TeVにおいて補正は最大で-20%に達し、高エネルギーレプトン衝突機における標準模型（SM）の高精度テストおよび新しい物理の探索のため、NLO精度が不可欠であることが示された。

ABSTRACT

We present first results on NLO electroweak (EW) corrections to multiple massive boson production processes at the proposed muon collider. Inclusive cross sections with $\mathcal{O}(\alpha)$ corrections for processes covering up to four bosons in the final state as well as differential distributions for $HZ$ production are computed for $\sqrt{s}=3$, $10$ and $14$ TeV by using FKS subtraction in the NLO EW automated Monte-Carlo framework WHIZARD+RECOLA. Large logarithmic effects due to collinear ISR and EW virtual correction factors as well as the impacts of an energy cut on hard photons are discussed with an emphasis on the differential distributions for Higgsstrahlung. The tremendous potential of the proposed muon collider for studying physics of the EW sector is underlined by the EW corrections significantly affecting observables for processes at high energies and boson multiplicities. Without precision predictions it is not possible to firmly establish potential signals from New Physics.

研究の動機と目的

• 将来のミューオン衝突機における、最大4個の最終状態ボソンを含む多ボソン生成過程のNLO電弱補正を計算すること。
• 初期状態放射および電弱仮想効果に起因する大きな対数補正が、ヒッグスストレーリングおよび多ボソン観測量に与える影響を評価すること。
• ハード光子のエネルギーカットの影響が、包含断面積および微分分布に与える影響を評価すること。
• NLO電弱補正が、高エネルギーにおけるミューオン衝突機での標準模型の精度テストおよび新しい物理の探索に必要な精度を達成するために不可欠であることを示すこと。
• 質量のあるレプトン初期状態過程を用いてフレームワークを検証し、HZ生成におけるスダコフ補正因子を導出すること。

提案手法

• NLO電弱計算における赤外発散および衝突発散を処理するため、FKS減算法を用いる。
• 完全なNLO電弱計算を実行するため、自動化されたモンテカルロフレームワークWHIZARD+RECOLAを実装する。
• 仮想補正および初期状態放射に起因する主要な対数的効果を推定するため、スダコフ型補正因子を導出する。
• √s = 3, 10, 14 TeVにおけるHZおよびZZ生成の包含断面積および微分分布を計算する。
• マンドルシュタム変数およびlog(|t|/s)とlog(|u|/s)を含むスピン依存項を用いて、HZ生成のスダコフ補正因子を導出する。
• 波動関数の正規化および結合定数の正規化を含む、仮想補正の解析的表現を用いて、完全なNLO補正因子を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HZおよびZZ生成の包含断面積に、3, 10, 14 TeVにおけるNLO電弱補正がどのように影響を与えるか？
• RQ2 ヒッグスストレーリング過程における初期状態放射および仮想補正に起因するスダコフ対数補正の大きさとエネルギー依存性は何か？
• RQ3 ハード光子のエネルギーカットがNLO電弱補正およびそれによる断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ4 多TeVエネルギー域における多ボソン過程の高多重度最終状態が、NLO補正によってどの程度抑制されるか？
• RQ5 NLO補正はLO予測と比較してどのように異なるか？また、ヒッグスストレーリングおよび多ボソン観測量の精度に与える影響は何か？

主な発見

• NLO電弱補正により、14 TeVにおけるHZおよびZZ断面積は最大で約-20%まで減少し、大きな対数補正に起因する顕著な抑制効果が示された。
• 主な補正は初期状態放射および仮想補正に起因し、l(s, M²W) ≡ log(s/M²W) の形をしたスダコフ型二重対数項が支配的である。
• 仮想補正および初期状態放射に起因する補正因子Λκλは、強いエネルギー依存性および偏光依存性を示し、高エネルギー極限で最大の効果を示す。
• 非偏光Born振幅およびスピン平均仮想補正に基づく補正因子Λunpol_estは、高エネルギー域において完全なNLO結果を良好に近似する。
• log(|t|/s)およびlog(|u|/s)に比例する角度依存項は、一次的でないが無視できない効果を示し、特に前向き/後向き領域で顕著である。
• 本研究は、NLO補正がミューオン衝突機における高精度物理学に不可欠であることを確認した。10 TeVのような中程度のエネルギーでも観測量に顕著な影響を及ぼし、標準模型のテストおよび新しい物理の探索に不可欠である。