[論文レビュー] Theoretical uncertainties for electroweak and Higgs-boson precision measurements at FCC-ee

A. Freitas, S. Heinemeyer+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 47被引用数 19

ひとこと要約

本稿は、将来のCircular Collider e+e−（FCC-ee）における電弱およびヒッグス粒子の高精度測定における理論的不確実性を評価し、現在の理論的不確実性—特に高次のQCDおよび電弱補正—が、FCC-eeが予想する0.1%未塔の実験的精度に一致させるには、現在の最先端水準から1〜2ループ分の改善が必要であることを特定している。研究では、主要な観測量における内在的不確実性とパrametric不確実性を定量的に評価し、FCC-eeの全物理的ポテンシャルを実現するには、多ループ計算およびモンテカルロツールにおける大幅な進歩が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

Due to the high anticipated experimental precision at the Future Circular Collider FCC-ee (or other proposed $e^+e^-$ colliders, such as ILC, CLIC, or CEPC) for electroweak and Higgs-boson precision measurements, theoretical uncertainties may have, if unattended, an important impact on the interpretation of these measurements within the Standard Model (SM), and thus on constraints on new physics. Current theory uncertainties, which would dominate the total uncertainty, need to be strongly reduced through future advances in the calculation of multi-loop radiative corrections together with improved experimental and theoretical control of the precision of SM input parameters. This document aims to provide an estimate of the required improvement in calculational accuracy in view of the anticipated high precision at the FCC-ee. For the most relevant electroweak and Higgs-boson precision observables we evaluate the corresponding quantitative impact.

研究の動機と目的

• FCC-eeにおける電弱およびヒッグス粒子の高精度観測量における現在および予想される理論的不確実性を評価すること。
• 高精度データの解釈を制限する可能性のある主な理論的不確実性源—特に欠落している高次のQCDおよび電弱補正—を特定すること。
• FCC-eeが予想する実験的精度（0.1%未塔）に適合するための理論的精度の向上が必要な程度を定量化すること。
• ヒッグス崩壊幅や部分幅などの主要な観測量に対する目標不確実性を推定することで、将来的な理論的取り組みを導くこと。
• FCC-eeに基づく不確実性推定を外挿することで、ILC、CLIC、CEPCなどの類似するe+e−衝突機プロジェクトの参考資料を提供すること。

提案手法

• 欠落している高次補正を推定するために、係数推定や幾何級数の外挿法などのヒューリスティック手法を用いる。
• 固定順数摂動計算における不確実性を推定するために、スケール依存性および体系依存性（例えば、オンシェルとMSの対比）を適用する。
• ヒッグス崩壊および生成過程におけるQCDおよび電弱補正の欠落が与える影響を分析することで、内在的不確実性を評価する。
• 標準模型入力パrameter（αs、mt、MH、mb）の不確実性を崩壊幅および断面積の予測に伝搬させることで、パrametric不確実性を推定する。
• 放射修正を実装し、実験的解析における理論誤差を低減するためのモンテカルロツールの役割を検討する。
• 例えばH→γγ、H→bb、H→WWなどの異なるヒッグス崩壊チャネルにおける理論的不確実性を比較し、改善の最優先分野を特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FCC-eeにおける高精度電弱およびヒッグス粒子測定における主な理論的不確実性は何であるか？
• RQ2 欠落している高次のQCDおよび電弱補正は、ヒッグス崩壊幅予測の精度にどのように影響するか？
• RQ3 標準模型入力パrameter（例：αs、mt、MH）からのパrametric不確実性は、ヒッグス結合測定の精度をどの程度制限するか？
• RQ4 FCC-eeの予想される実験的精度（0.1%未塔）に適合させるには、どの程度の理論的精度が必要か？
• RQ5 どのヒッグス崩壊チャネルが理論的不確実性に対して最も感受性が強く、今後の理論的取り組みをどこに優先順位を置くべきか？

主な発見

• H→γγの内在的不確実性は<1%と推定されるが、2ループ電弱補正の改善により約0.1%まで低減可能である。
• H→bbでは、内在的不確実性が約0.5%（トップクォーク質量の制御を改善すれば0.3%）であり、mbおよびmtからのパrametric不確実性が顕著に寄与している。
• H→ggの内在的不確実性は、大質量mt極限におけるN4LO QCD補正が欠落しているため約1%であり、これは4ループ無質量図式が必要である。
• ヒッグス粒子の全幅不確実性は、g2HbbおよびΓtotからの寄与によって支配されており、mbおよびαsからのパrametric不確実性は強い相関を示している。
• H→WWおよびH→ZZの理論的不確実性は現在、QCD補正によって制限されており、2ループQCD補正を実装すれば無視できるレベルにまで低減可能である。
• √s = 240 GeVにおけるe+e−→HZのHZZ結合に関しては、完全な2ループ補正を実装すれば、内在的不確実性が<0.3%に予想される。