[论文解读] Bounding the Higgs width at the LHC

John M. Campbell, R. Keith Ellis+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 9

一句话总结

本论文在MCFM v6.8中提出了一套精确的量子场论框架，用于在LHC上计算四轻子末态中非壳上（off-shell）Higgs玻色子的产生，考虑了Higgs与连续道（盒图）图之间的干涉效应。结果表明，当m₄ₗ > 130 GeV时，非共振峰截面比对Higgs总宽度敏感，理论预测为Nₐff = 2.78(Γ_H/Γ_H^SM) − 5.95√(Γ_H/Γ_H^SM)，从而可得出95%置信水平下Γ_H < 22 MeV的上限，该结果与SM预测值按5.4倍比例缩放后一致。

ABSTRACT

We present results for the Standard model description of the four-lepton production, mediated both by Higgs boson production and by other one-loop standard model processes. The description of four-lepton final states in MCFM v6.8 is reviewed, with special reference to the interference effects that can occur for identical species of leptons. We present results both for interference in the $l^+l^- l^- l^+$ and in the $l^-l^+ ν_l \barν_l$ final state. Prospects for further improvement in the theoretical description of four lepton production are also reviewed.

研究动机与目标

• 改进标准模型中四轻子末态的理论描述，特别是针对非壳上Higgs玻色子的产生。
• 量化ℓ⁻ℓ⁺ℓ⁻ℓ⁺和ℓ⁻ℓ⁺νℓν̄ℓ末态中Higgs介导过程与连续道（盒图）图之间的干涉效应。
• 评估量子修正（NLO/NNLO）及理论不确定度对从非共振峰四轻子数据测量Higgs宽度的影响。
• 为旨在利用共振峰/非共振峰截面比约束Higgs总宽度的实验分析提供稳健的理论输入。

提出的方法

• 在MCFM v6.8中实现了四轻子末态的全同粒子干涉效应，采用与POWHEG-BOX-V2相似的方法进行相空间积分。
• 使用文献[3]中给出的gg → ZZ* → 4ℓ背景过程的紧凑解析表达式，在MCFM中对共振峰与非共振峰区域均保持数值稳定。
• 在振幅平方|A^(a) + A^(b)|²中引入Higgs与盒图之间的干涉项，高m₄ₗ区域表现为相消干涉。
• 应用CMS类实验截断条件：pT > 7 GeV，|η| < 2.4，m₄ₗ > 100 GeV，以及同味与异味轻子对的质量约束。
• 使用LO矩阵元计算非共振峰截面作为Γ_H/Γ_H^SM的函数，其中信号与干涉贡献分别产生线性项与平方根项。
• 通过K因子评估理论不确定度：信号过程的K因子已知（K ≈ 2），背景过程的K因子则通过软-喷流近似与重Higgs极限估算。

实验结果

研究问题

• RQ1 Higgs与盒图之间的干涉如何影响高m₄ₗ区域的四轻子不变质量谱？
• RQ2 共振峰/非共振峰截面比在多大程度上可约束Higgs玻色子的总宽度？
• RQ3 高阶QCD修正（NLO、NNLO）对非共振峰四轻子产生理论预测有何影响？
• RQ4 对信号与背景过程之间相对K因子假设10%的理论不确定度有多可靠？
• RQ5 在何种动量区域，软-喷流近似可用于估算背景过程缺失的NLO修正？

主要发现

• 当m₄ₗ > 130 GeV时，非共振峰截面被预测为Nₐff = 2.78(Γ_H/Γ_H^SM) − 5.95√(Γ_H/Γ_H^SM)，负的平方根项源于相消干涉。
• 干涉效应使Higgs仅贡献的截面在Higgs共振处减少25%，全振幅减少14%，这是由于与盒图发生相消干涉所致。
• 基于MCFM v6.8的结果，CMS合作组提取出95%置信水平下Γ_H < 22 MeV的上限，该值为SM预测值的5.4倍。
• 理论不确定度来自信号与背景过程之间相对K因子的影响不可忽略，当√K从0.7到1.3变化时，上限在4.1至7.1之间波动。
• 用于估算背景NLO修正的软-喷流近似仅在m₄ₗ > 400 GeV时严格成立，此时顶夸克圈主导。
• 文献[15]中用于估算缺失NLO修正的论据，由于存在大而负的干涉效应，对真实Higgs玻色子并不严格适用，从而对10%理论误差假设提出质疑。