[論文レビュー] Top-Bottom Interference Contribution to Fully Inclusive Higgs Production

M. Czakon, Felix Eschment+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、13 TeVにおけるグルーオン融合による完全包含的ヒッグス粒子生成におけるトップ-ボトムクォーク干渉寄与の、初めての正確な次々次の高次の(QCD)計算を提示する。$ m_b^2/m_H^2 $ に比例して抑制されるにもかかわらず、干渉寄与は −1.99(1)+0.30−0.15 pb に達し、ヒッグス断面積予測における主要な理論的不確実性を解消し、新しい物理探査の精度を向上させる。

ABSTRACT

We evaluate the top-bottom interference contribution to the fully-inclusive Higgs production cross section at next-to-next-to-leading order in QCD. Although bottom-quark-mass effects are power-suppressed, the accuracy of state-of-the-art theory predictions makes an exact determination of this effect indispensable. The total effect of the interference at 13 TeV is $-1.99(1)^{+0.30}_{-0.15}$ pb, while the pure $\mathcal{O}(α_s^4)$ correction is 0.43 pb. With this result, we address one of the leading theory uncertainties of the cross section.

研究の動機と目的

• NNLOにおけるQCDで完全包含的ヒッグス粒子生成におけるトップ-ボトムクォーク干渉寄与を正確に計算すること。
• 有限クォーク質量効果に起因するヒッグス生成断面積予測における主な理論的不確実性を解消すること。
• 対数的増幅によって数値的に顕著であるにもかかわらず、パワー抑制されている干渉効果を正確に非摂動的に評価すること。
• 標準模型の精度テストおよび新しい物理探査のためのヒッグス断面積予測の精度を向上させること。

提案手法

• プロトンのPDFに質量ゼロのボトムクォークを含む5フラバー体系を採用し、完全なQCD効果を反映させた。
• グルーオン融合過程 $ gg \to H $ におけるトップクォークとボトムクォークのループ間の干渉振幅を、完全なNNLO計算で行った。
• 赤外特異性を含む赤外に敏感な領域において、数値的に安定した実放射振幅を実装した。
• 全運動量依存性および赤外特異性を扱うために、解析的および数値的技術の組み合わせを用いた。
• スケールおよび質量依存性の基準としてヒッグス効果的場理論(HEFT)フレームワークを適用した。
• 一貫性を確認するため、既知のNLOおよび閾値展開推定値と結果を比較検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおける完全包含的ヒッグス生成断面積に対するトップ-ボトム干渉寄与の正確な大きさは何か？
• RQ2 この干渉効果は、純粋なO(α₄ₛ)補正（0.43 pb）と比較してどの程度の大きさか？
• RQ3 $ \log^2(m_b^2/m_H^2) $ の形をした対数的増幅は、パワー抑制にもかかわらず干渉寄与にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ4 13 TeVにおけるヒッグス生成断面積の理論的不確実性に、この干渉がどのように寄与するか？
• RQ5 二重虚仮想および実放射寄与を含めた完全包含的極限において、干渉を信頼性高く計算できるか？

主な発見

• 13 TeVにおける完全包含的ヒッグス生成断面積に対するトップ-ボトム干渉寄与は、QCDのNNLOで −1.99(1)+0.30−0.15 pb に達する。
• この干渉効果は、純粋なO(α₄ₛ)補正（0.43 pb）よりも顕著に大きく、パワー抑制にもかかわらずその重要性が浮き彫りになる。
• 干渉は、$ m_b^2 $ の抑制を相殺する $ \log^2(m_b^2/m_H^2) $ の形をした対数的増幅によって支配されている。
• この結果により、ヒッグス断面積予測における主な理論的不確実性の一つが低減され、LHCの測定精度が向上する。
• 有限ボトムクォーク質量効果は無視できないものであり、1%未満の精度を達成するには正確に取り入れる必要があることが確認された。
• 本研究により、ヒッグス生成のNNLO計算における長年の空白が解消され、完全なQCD干渉寄与が完成した。