[论文解读] Electroweak and QCD corrections to Higgs production via vector-boson fusion at the LHC

M. Ciccolini, A. D enner+1 more|Max Planck Institute for Plasma Physics|Oct 25, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 39

一句话总结

本文首次完成了对大型强子对撞机（LHC）上通过矢量玻色子融合（VBF）机制产生希格斯玻色子的下一阶修正（NLO）电弱和QCD修正的完整计算，包括所有 $t$-、$u$- 和 $s$-通道图及其干涉项。研究发现，电弱修正和QCD修正均具有显著影响——通常在5%至10%之间——并在微分分布中引起非平凡的畸变，且在VBF选型条件下，完整NLO结果与 $t/u$-通道近似结果高度一致。

ABSTRACT

The radiative corrections of the strong and electroweak interactions are calculated at next-to-leading order for Higgs-boson production in the weak-boson-fusion channel at hadron colliders. Specifically, the calculation includes all weak-boson fusion and quark--antiquark annihilation diagrams to Higgs-boson production in association with two hard jets, including all corresponding interferences. The results on the QCD corrections confirm that previously made approximations of neglecting s-channel diagrams and interferences are well suited for predictions of Higgs production with dedicated vector-boson fusion cuts at the LHC. The electroweak corrections, which also include real corrections from incoming photons and leading heavy-Higgs-boson effects at two-loop order, are of the same size as the QCD corrections, viz. typically at the level of 5-10% for a Higgs-boson mass up to \sim 700 GeV. In general, both types of corrections do not simply rescale differential distributions, but induce distortions at the level of 10%. The discussed corrections have been implemented in a flexible Monte Carlo event generator.

研究动机与目标

• 计算LHC上通过矢量玻色子融合（VBF）机制产生希格斯玻色子的全部下一阶修正（NLO）QCD与电弱修正。
• 评估忽略 $s$-通道图及其干涉项在VBF截面预测中常见近似方法的有效性。
• 评估电弱修正（包括初态辐射光子的修正和主导的两圈重希格斯效应）对微分分布的影响。
• 将完整计算实现于一个灵活的蒙特卡罗事件生成器中，以支持LHC的现象学应用。
• 量化在希格斯玻色子质量高达700 GeV时，截面与分布预测的理论不确定性。

提出的方法

• 采用与先前希格斯玻色子衰变计算类似的设置，对QCD修正进行完整NLO计算，包括 $t$-、$u$- 和 $s$-通道图及其所有干涉项。
• 将NLO QCD修正分为四类，以系统处理所有贡献。
• 在NLO下包含电弱修正，包括初态光子引起的实修正，以及通过部分子分布函数的DGLAP演化引入的QED效应。
• 利用参考文献[23]的结果，引入与 $G_\mu^2 M_{\mathrm{H}}^4$ 成正比的主导两圈电弱修正，适用于重希格斯玻色子。
• 将完整计算集成至灵活的蒙特卡罗事件生成器中，以计算积分截面与微分分布。
• 将结果与标准的 $t/u$-通道近似进行比较，并在典型VBF选型条件下评估其一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在VBF希格斯玻色子产生过程中，当包含 $s$-通道图及其干涉项时，NLO QCD修正的显著程度如何？
• RQ2 在广泛的希格斯玻色子质量范围内，NLO电弱修正（包括实光子贡献和两圈重希格斯效应）的大小与符号为何？
• RQ3 QCD与电弱修正在多大程度上导致了微分分布（如横动量、快度、方位角夹角差、喷注不变质量）的畸变？
• RQ4 在真实VBF选型条件下，标准 $t/u$-通道近似在多大程度上能准确再现完整NLO QCD结果？
• RQ5 在包含完整NLO修正并估算缺失的高阶效应时，截面与分布预测的理论不确定性如何？

主要发现

• 当包含 $s$-通道图及其干涉项时，NLO QCD修正与 $t/u$-通道近似结果高度一致，在典型VBF选型条件下差异仅在百分之几内。
• NLO电弱修正的量级与QCD修正相当——通常为5%至10%——且在 $M_{\mathrm{H}} < 200\,\mathrm{GeV}$ 时为负值，随质量增加至 $M_{\mathrm{H}} = 700\,\mathrm{GeV}$ 时上升至+7%。
• 电弱修正在微分分布中引起非平凡的10%量级畸变，表明其并非简单地对分布进行缩放。
• 当 $M_{\mathrm{H}} \gtrsim 400\,\mathrm{GeV}$ 时，希格斯玻色子宽度变得足够大，导致壳上近似失效，必须考虑非壳上效应。
• 在 $M_{\mathrm{H}} = 700\,\mathrm{GeV}$ 时，主导的两圈重希格斯修正量级已与一阶修正相当，表明微扰理论可能失效，且该效应可作为缺失高阶修正不确定性的估计。
• 在 $M_{\mathrm{H}} = 100$–$200\,\mathrm{GeV}$ 范围内，总截面的理论不确定性估计为1%至2%，另加3.5%的来自部分子分布函数的不确定性。