[论文解读] Final-state interactions of the Higgs boson in quark-gluon matter

D. d’Enterria, C. Loizides|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用 5

一句话总结

本文使用有限温度QCD场论重新评估了夸克-胶子等离子体（QGP）中希格斯玻色子末态相互作用，表明此前被忽略的热虚修正项会抵消介质引起的实发射和吸收效应。结果是，在LHC和FCC碰撞中，希格斯玻色子的抑制效应可忽略不计，其部分宽度仅因(T/mH)⁴依赖关系而发生约10⁻⁶至10⁻⁸的修正，解决了早期基于微扰QCD一阶计算的估计中存在矛盾的问题。

ABSTRACT

In the first version of this paper \cite{dEnterria:2018bqi}, we presented a study of the final-state interactions of the Higgs boson in the hot and dense quark-gluon systems produced in pp, pPb, and PbPb collisions at CERN LHC and FCC energies. By computing the leading-order diagrams of the Higgs-parton scattering cross sections in perturbative QCD, and by embedding the produced Higgs bosons in an expanding quark-gluon medium modeled with 2D+1 viscous hydrodynamics with various QCD equations of state, we presented estimates of the expected scalar boson yields as functions of transverse momentum $p_{ m T}^{H}$, and produced medium space-time size. A moderate suppression of the scalar boson yields was predicted due to medium-enhanced $H o gg,q\bar{q}$ decays, in detriment of the $H oγγ, 4\ell$ channels that are typically used to observe the Higgs particle. After our work appeared, J. Ghiglieri and U. Wiedemann \cite{Ghiglieri:2019lzz} have presented thermal-field-theory calculations that indicate that the $H o gg,q\bar{q}$ partial decays widths remain basically unaffected by interactions with surrounding partons in the kinematic range of relevance of our study. Such a theoretical result, in contradiction with our estimates, has brought us to revisit our calculations and to realize of the quantitative importance of thermal virtual corrections, neglected in our first work, that are as large as the real ones and of opposite sign. Such virtual corrections significantly reduce the Higgs-parton "absorption" cross sections originally computed in Ref. \cite{dEnterria:2018bqi}, and make the Higgs boson suppression negligible in the kinematic regime considered.

研究动机与目标

• 解决早期微扰QCD估算预测夸克-胶子等离子体中希格斯玻色子显著抑制，与基于有限温度场论的新计算结果之间存在的矛盾。
• 研究热虚修正在热QGP介质中希格斯玻色子衰变（H→gg，H→q̄q）中的作用。
• 评估介质增强的希格斯-部分子散射和衰变过程是否显著改变LHC和FCC能量下pp、pPb和PbPb碰撞中的希格斯玻色子产额。
• 调和有限温度场论中算符乘积展开（OPE）结果与一阶微扰QCD计算之间的差异。
• 确定热修正对对撞机实验相关动量区间的希格斯部分衰变宽度的定量影响。

提出的方法

• 使用有限温度量子色动力学中的算符乘积展开（OPE）来计算希格斯部分衰变宽度的热修正。
• 计算三类贡献：实发射（如H→ggg）、实吸收（如gH→gg）以及与真空中振幅干涉的热虚修正。
• 采用截断近似（排除轻夸克）以简化计算，同时保留关键的红外抵消机制。
• 通过δΓ/Γ ≈ καs(T/mH)⁴的标度关系评估衰变宽度修正的温度依赖性，其中|κ| ≈ 30–400。
• 将基于OPE的热场论结果与早期仅包含实过程并引入K因子以弥补高阶修正缺失的一阶微扰QCD估算结果进行比较。
• 分析实贡献与虚贡献中发散项的相互作用，表明在一阶微扰论中它们可实现抵消。

实验结果

研究问题

• RQ1 热虚修正是否显著改变夸克-胶子等离子体中希格斯玻色子的衰变宽度？若然，它们如何影响重离子碰撞中预测的抑制效应？
• RQ2 为何早期一阶微扰QCD计算预测QGP中可测量的希格斯抑制，而热场论计算却显示效应可忽略？
• RQ3 在热QGP中，希格斯部分衰变宽度H→gg与H→q̄q的定量温度依赖性如何？其与T/mH的关系如何？
• RQ4 希格斯衰变的实发射、实吸收与虚修正之间如何相互干涉？它们对介质中总衰变宽度的净效应是什么？
• RQ5 当所有贡献（包括虚修正）被一致包含时，介质中修正的希格斯散射过程中红外发散项的抵消程度如何？

主要发现

• 希格斯-部分子散射的热虚修正在量级上与实发射和吸收过程相当，但符号相反，导致强烈抵消。
• 希格斯部分衰变宽度Γ(H→gg)与Γ(H→q̄q)的净介质修正遵循δΓ/Γ ≈ καs(T/mH)⁴的标度关系，其中|κ| ≈ 30–400，因此在LHC相关温度下修正仅为∼10⁻⁶至10⁻⁸。
• 在LHC和FCC的pp、pPb和PbPb碰撞动量区段中，希格斯玻色子在夸克-胶子物质中的抑制效应可忽略不计，与早期估算相反。
• 通过在OPE框架中一致包含所有项，实贡献与虚贡献之间的红外发散项得以抵消，确保了结果有限且物理合理。
• (T/mH)⁴的标度关系意味着，只有在接近电弱相变温度（T ≈ mH）时才会出现显著的希格斯衰变修正，而该区域在当前对撞机实验中不可达。
• 早期微扰QCD估算（Higgs-部分子散射截面σ ≈ 1–50 μb）与新场论结果之间的差异源于忽略了热虚修正，而这些修正对红外消去和物理准确性至关重要。