[论文解读] Higgs and Z boson associated production via gluon fusion in the SM and the 2HDM

B. Hespel, Fabio Maltoni+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 72被引用 8

一句话总结

本文在标准模型（SM）和双 Higgs 双生模型（2HDM）中，通过近似下一阶（NLO）QCD 计算与部分子喷注匹配，对胶子融合过程中的 Higgs 与 Z 玻色子联合产生进行了详细研究。结果表明，合并的 0- 和 1-喷注样本对于高 Higgs 横向动量区域的精确微分分布至关重要，并在 2HDM 模型中揭示了显著的共振增强与干涉效应，尤其在 $ZH^0$ 和 $ZA^0$ 产生过程中表现明显。

ABSTRACT

We analyse the associated production of Higgs and $Z$ boson via heavy-quark loops at the LHC in the Standard Model and beyond. We first review the main features of the Born $2 o 2$ production, and in particular discuss the high-energy behaviour, angular distributions and $Z$ boson polarisation. We then consider the effects of extra QCD radiation as described by the $2 o 3$ loop matrix elements, and find that they dominate at high Higgs transverse momentum. We show how merged samples of 0-- and 1--jet multiplicities, matched to a parton shower can provide a reliable description of differential distributions in $ZH$ production. In addition to the Standard Model study, results in a generic two-Higgs-doublet-model are obtained and presented for a set of representative and experimentally viable benchmarks for $Zh^0$, $ZH^0$ and $ZA^0$ production. We observe that various interesting features appear either due to the resonant enhancement of the cross-section or to interference patterns between resonant and non-resonant contributions.

研究动机与目标

• 通过包含超出领先阶 Drell-Yan 过程的胶子融合贡献，改进 LHC 中 $ZH$ 联合产生的理论预测。
• 通过将 $2\to 2$ 和 $2\to 3$ 矩阵元与部分子喷注匹配，减少微分分布中的理论不确定性。
• 在 2HDM 中探索与 SM 的偏离，特别是通过 $Zh^0$、$ZH^0$ 和 $ZA^0$ 通道中的共振增强与干涉效应。
• 为具有扩展 Higgs 系统的实验搜索提供基准预测，包括显著的截面增强。

提出的方法

• 使用 MadGraph5_aMC@NLO 计算了 SM 和 2HDM 中 $gg\to ZH$ 的 NLO QCD amplitude。
• 通过 Pythia 8 实现部分子喷注匹配，将 0-喷注与 1-喷注末态合并，提升高-$p_T$ 区域的精度。
• 应用 $2\to 2$ 和 $2\to 3$ 逐级微分矩阵元，以模拟真实辐射效应，尤其在高 Higgs 横向动量区域占主导。
• 执行软胶子重求和，以提升精度，在胶子融合分量中达到 NLO+NLL 精度。
• 定义并评估了三个具有不同 Yukawa 耦合与 Higgs 质量的代表性 2HDM 模型，以探测共振与干涉效应。
• 利用 vh@nnlo 和 HVNNLO 框架验证 SM 截面，并通过自定义代码将实现扩展至 2HDM。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高 Higgs 横向动量区域，$2\to 2$ 与 $2\to 3$ 矩阵元在 $gg\to ZH$ 微分分布中的贡献有何不同？
• RQ2 部分子喷注匹配在多大程度上减少了 $ZH$ 产生预测中的理论不确定性？
• RQ3 在 2HDM 中，$ZH$ 产生过程中出现了哪些共振与干涉效应，特别是 $ZH^0$ 和 $ZA^0$ 末态？
• RQ4 顶夸克 Yukawa 耦合符号与 Higgs 质量如何影响 2HDM 模型中的截面增强？
• RQ5 在特定 2HDM 情景下，胶子融合是否可能主导 $ZH$ 产生？这对实验搜索策略有何影响？

主要发现

• $2\to 3$ 矩阵元贡献在高 Higgs 横向动量区域占主导，因此必须包含以实现精确的微分预测。
• 与仅使用部分子喷注相比，经部分子喷注匹配的合并 0- 和 1-喷注样本将尺度不确定性降低了近两倍。
• 在 2HDM 中，接近 $m_Z + m_{A^0}$ 阈值的共振 $ZA^0$ 产生导致截面显著增强，尤其在 B3 模型中表现明显。
• 对于 $ZH^0$ 产生，若 $H^0$ 质量大于 $A^0$，由于 $H^0ZA^0$ 耦合不被抑制，将导致大截面。
• $ZH^0$ 产生中，三角图与盒图之间的干涉导致 B1 模型中出现破坏性干涉，使尾部区域截面被抑制。
• 在 14 TeV 的 SM 中，$gg\to ZH$ 通道约占总 NNLO 截面的 10%，且具有显著的尺度依赖性，而 NLO 修正在顶夸克无限质量极限下可有效减小该依赖性。