[论文解读] Distributions for neutral Higgs production in the NMSSM

Stefan Liebler, Hendrik Mantler+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 72被引用 4

一句话总结

本论文首次在$\text{one}$-MSSM中实现了胶子融合产生中性希格斯玻色子的全微分NLO QCD预测，采用三种不同方法：解析NLO+NLL横动量重整化与两种全微分NLO+部分子喷注方法（MC@NLO与POWHEG）。当采用适当的尺度选择和不确定性估计时，所有方法之间表现出良好一致性，使得能够在NMSSM参数空间内精确建模希格斯玻色子横动量谱，包括轻希格斯玻色子态。

ABSTRACT

A novel computation of the fully-differential cross section for neutral Higgs-boson production through gluon fusion in the CP-conserving NMSSM is presented. Based on the calculation of NLO corrections to the total cross section [1], we implemented the NMSSM amplitudes in three codes, applying different resummation techniques: analytic transverse-momentum resummation at NLO+NLL, and two fully-differential NLO+PS Monte-Carlo approaches using the MC@NLO and POWHEG matching procedures, respectively. We study phenomenological predictions for distributions in the NMSSM with a special emphasis on the Higgs transverse-momentum spectrum. Reasonable agreement among the various approaches is found, once well-motivated choices for the unphysical matching scales and the determination of the related uncertainties are made.

研究动机与目标

• 为包含一个单态希格斯场的MSSM关键BSM扩展——$\text{nms}$-MSSM中的胶子融合产生中性希格斯玻色子提供精确的理论预测。
• 在NLO QCD精度下计算全微分截面，特别是与部分子喷注匹配的希格斯横动量（$p_T$）谱。
• 比较并验证三种不同的计算方法：解析NLO+NLL重整化、MC@NLO与POWHEG匹配。
• 为LHC运行II期及以后阶段在NMSSM中实现希格斯信号的可靠模拟提供支持，特别是质量低于125 GeV的轻希格斯玻色子态。
• 评估尺度选择带来的理论不确定性，并确保在不同方法和希格斯玻色子质量区域中结果的稳健性。

提出的方法

• 在三个独立程序中实现总截面的NLO QCD修正：MoRe-SusHi（解析重整化）、aMCSusHi（MC@NLO）与mPOWHEG-SusHi（POWHEG匹配）。
• 在MoRe-SusHi中应用NLO+NLL横动量重整化，以考虑小$ p_T $区域的对数增强项。
• 使用MC@NLO与POWHEG匹配程序生成全微分$ p_T $分布，确保在大$ p_T $区域与固定阶NLO结果的一致性。
• 计算包含顶夸克与底夸克Yukawa耦合的希格斯玻色子产生截面，包括有限质量效应。
• 通过尺度变化研究估算理论不确定性，尤其关注重整化与匹配尺度。
• 在不同希格斯玻色子态（标量与伪标量）及质量点上对结果进行相互验证，包括一个65.2 GeV的轻$ A_1 $玻色子。

实验结果

研究问题

• RQ1 在$\text{nms}$-MSSM中，三种不同计算框架——解析重整化、MC@NLO与POWHEG匹配——产生的希格斯横动量分布如何比较？
• RQ2 顶夸克与底夸克Yukawa耦合对$\text{nms}$-MSSM中$ p_T $谱的影响如何，特别是在底夸克耦合增强的场景中？
• RQ3 尺度选择带来的理论不确定性如何影响预测结果？不同方法间能否一致地估计这些不确定性？
• RQ4 在主导重整化效应的低$ p_T $区域，以及主导固定阶结果的高$ p_T $区域，三种方法的一致性如何？
• RQ5 MoRe-SusHi中的解析重整化方法能否可靠地模拟轻希格斯玻色子态（如65.2 GeV的伪标量）的$ p_T $谱？其与蒙特卡罗匹配结果相比如何？

主要发现

• 三种方法——解析NLO+NLL重整化（MoRe-SusHi）、MC@NLO（aMCSusHi）与POWHEG（mPOWHEG-SusHi）——在不同希格斯玻色子态的希格斯横动量谱中心预测值上表现出良好一致性。
• MoRe-SusHi中的解析重整化结果在小横动量区域表现出比蒙特卡罗方法更软的$ p_T $谱，这与已知的重整化效应一致。
• 尺度不确定性在各方法间均得到良好控制，且水平相当；MC@NLO与POWHEG方法在高$ p_T $区域因匹配尺度变化而展现出更宽的不确定性带。
• 对于质量为$ m_{A_1} = 65.2 $ GeV的轻伪标量$ A_1 $，两个蒙特卡罗程序结果高度一致，仅在$ p_T \sim 40-70 $ GeV附近aMCSusHi曲线出现一个微小隆起。
• 所有方法之间的结果均在各自理论不确定性带内一致，验证了在采用适当尺度选择时各方法的可靠性。
• 即使在低质量希格斯玻色子态下，结果依然稳健，但当$ m_\phi \lesssim 20 $ GeV时需保持谨慎，因为此时接近夸克阈值，可能需要额外的重整化处理。