[论文解读] A Comparison of Predictions for SM Higgs Boson Production at the LHC

Csaba Balázs, Massimiliano Grazzini+3 more|ArXiv.org|Mar 4, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文比较了在LHC的胶子-胶子融合过程中，标准模型希格斯玻色子的横向动量（pT）分布的理论预测，评估了从部分子簇射蒙特卡罗（HERWIG、PYTHIA）到解析重求和（ResBos）以及NLO+PS匹配（MC@NLO）的方法。结果表明，尽管大多数预测在峰位和低/中等pT行为上一致，但在高pT区域由于对高阶修正处理方式不同，出现了显著差异，其中PYTHIA的谱明显偏软，而NNLO重求和结果（Grazzini等人）则最硬，凸显了准确描述高阶效应对实验分析策略的重要性。

ABSTRACT

This paper describes a comparison of most of the available predictions for the cross section and transverse momentum distribution for a 125 GeV mass Higgs at the LHC, including those from the PYTHIA and HERWIG parton shower Monte Carlos and from four resummation calculations.

研究动机与目标

• 比较LHC中不同理论方法对希格斯玻色子pT分布的可靠性和形状预测。
• 评估高阶QCD修正（尤其是NNLO和重求和）对pT谱和总截面的影响。
• 评估蒙特卡罗发生器（HERWIG、PYTHIA）与解析重求和（ResBos）及NLO+PS匹配（MC@NLO）在高pT区域的差异。
• 确定pT谱预测的差异是否可在实验中分辨，并可能影响希格斯玻色子的搜索策略。

提出的方法

• 使用CSS形式化方法在影响参数（b）空间进行解析重求和，以指数化形式为αs^n ln^m(mH²/pT²)的大对数修正。
• 应用Sudakov形式因子S_c，其系数A_c(αs)和B_c(αs)按αs展开，以达到NNLL精度，重求和软和共线辐射。
• 比较HERWIG（角度有序簇射）、PYTHIA（带矩阵元修正）、MC@NLO（NLO+PS匹配）和ResBos（解析重求和并匹配）的预测结果。
• 整合NNLO总截面（例如Grazzini等人），并使用MRST2001/2002和CTEQ5M部分子分布函数（PDFs）评估PDF依赖性。
• 将所有预测归一化至相同的总截面（39.4 pb），以隔离pT形状差异，便于直接比较。
• 评估尺度选择（μ = mH 与 μ = √(mH² + pT²)）以及硬矩阵元修正对高pT尾部形状的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同理论方法——部分子簇射蒙特卡罗、解析重求和和NLO+PS匹配——如何预测LHC中希格斯玻色子的横向动量分布？
• RQ2 与固定阶或领先对数近似相比，高阶QCD修正（NNLO、NNLL）在多大程度上改变了pT谱的形状和归一化？
• RQ3 为何PYTHIA预测的pT谱显著比其他方法偏软？这对实验分析策略有何含义？
• RQ4 尺度选择和矩阵元修正如何影响不同模型中高pT区域希格斯玻色子pT分布的行为？
• RQ5 观察到的pT谱预测差异是否可在实验中分辨？它们是否可能影响LHC中希格斯玻色子的搜索策略？

主要发现

• PYTHIA的预测在高pT区域显著偏软，主要因其默认实现中缺乏硬矩阵元修正。
• HERWIG（使用角度有序）缺乏可靠的硬辐射效应，在高pT区域变得不物理，尽管其正确捕捉了低pT行为。
• MC@NLO的预测（固定为NLO总截面，约32.4 pb）比NNLO结果（39.4 pb）偏软，且在高pT区域低于ResBos和Grazzini等人曲线。
• ResBos和Grazzini等人预测的pT谱比MC@NLO更硬，主要归因于包含了NNLO矩阵元和K因子匹配。
• Grazzini等人基于NNLO矩阵元和三圈αs的预测，总截面为39.4 pb，比Kulesza等人仅包含次领头项低x贡献的纯阈值结果（35 pb）高约10%。
• 将所有预测归一化至相同的总截面（39.4 pb）后，仅PYTHIA和Kulesza等人在形状上表现出显著偏差，其中PYTHIA最软，Kulesza等人也比NNLO基准更软，表明对非峰区动力学敏感。