[论文解读] Handbook of LHC Higgs Cross Sections: 1. Inclusive Observables

S. Dawson, R. Tanaka+62 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 247被引用 301

一句话总结

本手册对大型强子对撞机（LHC）上包含希格斯玻色子的总截面进行了全面、前沿的总结，整合了多种产生模式下的量子色动力学（QCD）下一阶（NLO）和下一下一阶（NNLO）修正，包括胶子融合、矢量玻色子融合、与顶夸克或矢量玻色子的关联产生，以及MSSM扩展。该手册为7 TeV和14 TeV质心系能量下LHC希格斯物理研究与实验分析提供了精确的理论预测，并量化了不确定性，是该领域的重要基础参考文献。

ABSTRACT

This Report summarizes the results of the first 10 months' activities of the LHC Higgs Cross Sections Working Group. The main goal of the working group was to present the status-of-art on Higgs Physics at the LHC integrating all new results that have appeared in the last few years. The Report is more than a mere collection of the proceedings of the general meetings. The subgroups have been working in different directions. An attempt has been made to present the first Report from these subgroups in a complete and homogeneous form. The subgroups' contributions correspondingly comprise the main parts of the Report. A significant amount of work has been performed in providing higher-order corrections to the Higgs-boson cross sections and pinning down the theoretical uncertainty of the Standard Model predictions. This Report comprises explicit numerical results on total cross sections, leaving the issues of event selection cuts and differential distributions to future publications. The subjects for further study are identified.

研究动机与目标

• 为LHC上包含希格斯玻色子的总截面提供统一、最新且一致的理论框架。
• 在所有主要希格斯产生模式中整合最新的高阶QCD修正（NLO、NNLO）和部分子分布函数（PDF）不确定性。
• 在√s = 7和14 TeV下，为总截面提供精确的数值预测，作为实验分析的基准。
• 识别关键的理论不确定性及希格斯截面计算的未来研究方向。
• 作为LHC希格斯截面工作组的标准化参考文献，整合了领先理论与现象学研究团队的贡献。

提出的方法

• 对所有主要希格斯产生通道（胶子融合、矢量玻色子融合、与顶夸克或矢量玻色子的关联产生）采用NLO和NNLO精度的先进QCD计算。
• 使用现代部分子分布函数（PDFs），包括MSTW2008及其他最先进的PDF集合，以评估理论不确定性。
• 应用专用工具，如HIGLU用于胶子融合，bbH@NNLO用于底夸克关联的希格斯产生，FeynHiggs用于MSSM希格斯 sector 计算。
• 对不同软件包（如FeynHiggs与CPsuperH）在分支比和截面方面的系统比较，以确保一致性。
• 在顶夸克和带电希格斯产生中实施五味子方案（5FS）和四味子方案（4FS），并进行适当的匹配与缩放。
• 在7和14 TeV下对MSSM参数空间（mA, tanβ）进行全面扫描，以映射m_h^max基准情景下的产生截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上，包含高阶QCD修正的最精确的总希格斯玻色子产生截面理论预测是什么？
• RQ2 理论不确定性（尤其是来自PDF和尺度变化）如何影响希格斯截面预测的可靠性？
• RQ3 在MSSM中，对于不同的tanβ值，胶子融合与底夸克辐射产生希格斯的相对重要性如何？
• RQ4 NLO QCD修正如何影响与顶夸克或底夸克关联的带电希格斯玻色子产生的截面？
• RQ5 在MSSM中，带电希格斯玻色子的主要产生机制是什么？其依赖于赝标量希格斯玻色子质量（mA）和tanβ的关系如何？

主要发现

• 在标准模型希格斯玻色子中，胶子融合过程在LHC上占主导地位，尤其是在高能区域，其截面预测精度达到NNLO。
• 在MSSM中，当tanβ较大时（例如tanβ = 30），通过底夸克辐射产生希格斯的过程占主导地位；而在tanβ较小时（例如tanβ = 5），胶子融合仍具竞争力或占主导地位。
• 在√s = 7和14 TeV下，对m_h^max情景中MSSM中性希格斯玻色子的总截面，提供了在(mA, tanβ)平面上的完整扫描结果，以电子格式提供。
• NLO QCD修正显著降低了在4FS和5FS方案下顶夸克关联希格斯产生（tth）及带电希格斯产生中的尺度不确定性。
• 顶夸克衰变为带电希格斯玻色子（t → bH±）的分支比在FeynHiggs与CPsuperH之间一致计算并进行了比较，结果高度一致。
• PDF和尺度变化带来的理论不确定性已量化，并发现在14 TeV下大多数过程的不确定性低于5%，显著增强了对LHC截面预测的信心。