[논문 리뷰] Two-loop electroweak corrections to Higgs production in proton-proton collisions

U. Aglietti, Roberto Bonciani외 2명|ArXiv.org|2006. 10. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 32

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 양성자-양성자 충돌에서 글루온 융합을 통한 힉스 보손 생성에 대한 이중 고리 전자약력 보정을 계산한다. 이러한 보정은 힉스 보손 질량이 ≤160 GeV일 경우 총 단면적을 4–8% 증가시키며, 이는 현재의 QCD 불확실성과 비교할 만하거나 그 이상이다. 이에 따라 정밀한 힉스 단면적 예측을 위해 단순한 재스케일링 인자를 제안한다.

ABSTRACT

We study the impact of the two-loop electroweak corrections on the production of a Higgs boson via gluon-fusion in proton-proton collisions at LHC energies. We discuss the prescritpion to include the corrections to the hard scattering matrix element in the calculation of the hadronic cross-section sigma (p+p o H+X). Under the hypothesis of factorization of the electroweak corrections with respect to the dominant soft and collinear QCD radiation, we observe an increase of the total cross-section from 4 to 8 %, for MH <=160 GeV. This increase is comparable with the present QCD uncertainties originating from hard scattering matrix elements.

연구 동기 및 목표

• LHC 에너지에서 양성자-양성자 충돌에서 글루온 융합을 통한 힉스 보손 생성에 대한 이중 고리 전자약력 보정을 계산하기 위해.
• 이 보정이 기존 QCD 불확실성의 맥락에서 강입자 단면적 σ(p+p→H+X)에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 정밀한 힉스 단면적 계산에 이러한 보정을 포함시키기 위한 실용적인 구현 방법을 제공하기 위해.
• 이중 고리 전자약력 보정의 상대 크기를 NNLO QCD 및 소프트 글루온 재결합 불확실성과 비교하기 위해.
• 현상물리 분석에 사용하기 위한 힉스 질량에 대한 함수로 전자약력 보정 인자 δ_EW(m_H)의 피팅 공식을 유도하기 위해.

제안 방법

• 전자약력 보정을 주로 소프트 및 콜린어 QCD 복사와 분리하기 위해 인식된 인과성 규정을 사용한다.
• 일반화된 호르몬 다이로그함수(GHPLs)를 사용하여 이중 고리 전자약력 앰리튜드를 계산하여, 다수의 독립된 방법을 통해 수치적 평가가 가능하도록 한다.
• NLO 전자약력 보정은 경량 페르미온과 톰 퀘이크 기여에 대한 이전의 해석적 결과를 m_H²/(4m_W²)에 대한 타일러 전개를 통해 유도한다.
• 강입자 단면적은 보정된 부분입자 단면적을 양성자 부분입자 분포 함수(PDFs)와 콘볼루션하여 계산한다.
• 보정은 스케일을 μ = m_H로 설정한 NNLO-QCD 단면적에 곱하기 형태의 재스케일링 인자로 구현된다.
• 수치적 결과는 GHPLs의 직접 통합, 멱급수, 미분방정식 해법 간의 일치를 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 글루온 융합을 통한 힉스 생성에 대한 이중 고리 전자약력 보정의 크기와 질량 의존성은 무엇인가?
• RQ2 이러한 전자약력 보정은 NNLO QCD 및 소프트 글루온 재결합 이후의 기존 QCD 불확실성과 크기에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 NLO 전자약력 보정은 단순한 재스케일링 인자를 통해 강입자 단면적 계산에 신뢰성 있게 구현될 수 있는가?
• RQ4 경량 페르미온과 톰 쿼크는 힉스 질량 범위 전반에서 전자약력 보정에 어떤 기여를 하는가?
• RQ5 이중 고리 전자약력 보정의 포함 여부는 힉스 생성 단면적 예측의 총 이론적 불확실성에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이중 고리 전자약력 보정은 힉스 질량이 ≤160 GeV일 경우 글루온 융합을 통한 힉스 생성 총 단면적을 4–8% 증가시킨다.
• 이 보정의 크기는 현재의 NNLO QCD 보정에 의한 이론적 불확실성과 유사하며, NLO에서 약 30%로 나타나고 NNLO에서 10% 이하로 감소한다.
• m_H > 160 GeV일 경우 보정은 약 2%로 감소하고, 점차 음수가 되어 200 GeV에서 -0.3%에 도달한다.
• 경량 페르미온 기여가 보정을 주로 차지하며, 중간 질량 범위(114–2m_W)에서는 4–9% 기여를 한다. 반면 톰 쿼크의 기여는 더 작지만 부호가 반대이다.
• 114 GeV ≤ m_H ≤ 155 GeV 범위에서 전자약력 보정 인자 δ_EW(m_H)는 이차 공식으로 정확하게 피팅 가능하며, 158 GeV에서 최대 7.7%에 도달한다.
• 강입자 단면적의 주요 불확실성 원천은 전자약력 보정 자체가 아니라 양성자의 부분입자 분포 함수(PDFs)이다.