[论文解读] Four-jet event shapes in hadronic Higgs decays

A. Gehrmann–De Ridder, Christian T. Preuss+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 13, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文首次基于EERAD3蒙特卡洛生成器中的胶子反胞子减法框架，给出了胶子喷射型事件形状观测量在强子衰变中四喷射道的下一阶修正（NLO）微扰QCD预测。研究揭示了显著的NLO修正，且H→b¯b与H→gg衰变模式之间存在明显的形状差异，尤其在H→gg通道中，由于高阶修正增强，导致峰位置发生明显偏移。

ABSTRACT

We present next-to-leading order perturbative QCD predictions for four-jet-like event-shape observables in hadronic Higgs decays. To this end, we take into account two Higgs-decay categories: involving either the Yukawa-induced decay to a $b\bar{b}$ pair or the loop-induced decay to two gluons via an effective Higgs-gluon-gluon coupling. We present results for distributions related to the event-shape variables thrust minor, light-hemisphere mass, narrow jet broadening, $D$-parameter, and Durham four-to-three-jet transition variable. For each of these observables we study the impact of higher-order corrections and compare their size and shape in the two Higgs-decay categories. We find large NLO corrections with a visible shape difference between the two decay modes, leading to a significant shift of the peak in distributions related to the $H o gg$ decay mode.

研究动机与目标

• 首次计算强子衰变中四喷射道事件形状观测量的NLO QCD修正。
• 比较H→b¯b（Yukawa诱导）与H→gg（圈图诱导）衰变类别中NLO修正的大小、形状及微扰稳定性。
• 为未来在轻子对撞机上的高精度研究提供必要的理论输入，包括喷射观测量的NNLO与N3LO计算。
• 通过事件形状分布实现对Higgs衰变模式的区分，尤其在H→gg通道中。

提出的方法

• 采用胶子反胞子减法框架处理NLO计算中的红外与共线奇点。
• 将EERAD3部分子级蒙特卡洛生成器扩展至包含Born阶四部分子末态的强子衰变。
• 区分处理两种Higgs衰变类别：H→b¯b（有限Yukawa耦合）与H→gg（通过有效Higgs-胶子-胶子耦合）。
• 在有效场论近似下使用无质量b夸克与无限重top夸克。
• 采用与OpenLoops2一致的尺度变化与重整化方案，以获得可靠的不确定性估计。
• 通过已知极限验证结果，并确保在红外与共线区域的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NLO QCD修正如何影响强子衰变中四喷射事件形状分布的形状与归一化？
• RQ2 H→b¯b与H→gg衰变模式之间，NLO修正的大小与形状有何差异？
• RQ3 诸如轻量喷射动量（thrust minor）与D参数等事件形状观测量，在多大程度上能区分这两种Higgs衰变类别？
• RQ4 与H→b¯b相比，NLO修正如何导致H→gg通道中事件形状分布的峰值位置发生偏移？
• RQ5 高阶修正对这些观测量的红外行为有何影响？

主要发现

• 所有事件形状分布均在LO下表现出红外极限处的特征发散，而NLO预测在发散至负无穷之前形成一个峰值。
• NLO修正显著，H→b¯b衰变模式中K因子范围为1.7至2.3，H→gg模式中为1.3至1.8，具体取决于观测量。
• H→b¯b衰变中NLO修正形状较平缓，而H→gg衰变中更弯曲，表明胶子通道中存在更强的非平凡动力学。
• 在H→gg模式中观察到显著的峰值偏移，峰值位置远离红外极限（log(y34) = −5.6），而H→b¯b模式中为log(y34) = −8.1。
• LO与NLO预测的交点在H→gg通道中也发生移动，反映出两种衰变类别的明显形状差异。
• D参数与轻量喷射动量表现出最大的NLO修正，而窄喷射宽度与轻半球质量则表现出略小的修正。