[论文解读] Higgs boson production in association with a jet at NNLO using jettiness subtraction

Radja Boughezal, Christfried Focke+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 51

一句话总结

本文使用一种处理量子色动力学中红外奇点的新方法——喷注质地减去方案（jettiness subtraction scheme），完成了强子对撞中与喷注联合产生的希格斯玻色子的完整下一阶下一阶微扰计算（NNLO）。作者确认了胶子起始通道的先前结果，并将计算扩展至夸克起始过程，发现其对物理结果的影响可忽略不计。结果与以往计算高度一致，表明微扰系列在NNLO阶已得到良好控制，理论尺度不确定度减小，各阶分布稳定。

ABSTRACT

We use the recently proposed jettiness-subtraction scheme to provide the complete calculation of Higgs boson production in association with a jet in hadronic collisions through next-to-next-to-leading order in perturbative QCD. This method exploits the observation that the $N$-jettiness event-shape variable completely describes the singularity structure of QCD when final-state colored particles are present. Our results are in agreement with a recent computation of the $gg$ and $qg$ partonic initial states based on sector-improved residue subtraction. We present phenomenological results for both fiducial cross sections and distributions at the LHC.

研究动机与目标

• 提供强子对撞中与喷注联合产生的希格斯玻色子的完整NNLO QCD计算，涵盖所有部分子初始态。
• 应用并验证新提出的喷注质地减去方案，作为处理含末态喷注过程红外奇点的一般性方法。
• 确认并扩展此前仅限于$gg$和$qg$初始态的NNLO结果，首次在该阶次包含夸克起始通道。
• 为LHC中希格斯玻色子和主导喷注的截面和动量分布提供详细的物理预测。
• 评估NNLO修正对理论不确定度的影响，以及对希格斯+喷注产生中微扰系列稳定性的贡献。

提出的方法

• 采用喷注质地减去方案，利用$N$-喷注质地变量$\mathcal{T}_N$分离并减去末态喷注中真实辐射引起的红外奇点。
• 该方法依赖于截面的因子化分解为硬函数、束流函数、软函数和喷注函数，其中$\mathcal{T}_1$作为$H$+喷注过程的全局红外调节器。
• 减去项被构建以重现真实发射振幅的奇点结构，从而实现在NNLO阶的有限且红外安全的计算。
• 计算采用$\overline{\text{MS}}$方案，$\alpha_s$在尺度$\mu = m_H$下取值，部分子分布函数（PDFs）采用NNPDF3.2方案，并在每个微扰阶次应用。
• 结果与文献中已知结果进行交叉验证，包括近期使用区域改进残差减去法计算的$gg$和$qg$通道结果。
• 数值结果基于$\overline{\text{MS}}$方案和NNPDF3.2 PDF集获得，通过尺度变化估计理论不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 喷注质地减去方案能否成功应用于包含末态喷注的非平凡QCD过程（如与喷注联合产生的希格斯玻色子）？
• RQ2 在NNLO阶包含夸克起始部分子通道对希格斯+喷注产生有何物理影响？
• RQ3 NNLO修正如何影响LHC中希格斯玻色子和主导喷注的截面和动量分布？
• RQ4 与低阶相比，NNLO修正在多大程度上稳定了微扰系列并减少了理论不确定度？
• RQ5 与基于不同减去方案（如区域改进残差减去法）的先前计算相比，本研究结果在定量上如何对比？

主要发现

• 在NNLO阶，希格斯玻色子与喷注联合产生的截面为$5.5^{+0.3}_{-0.4}$ pb，中心尺度取$\mu = m_H$，其尺度不确定度相比低阶次已显著减小。
• 在截面区域内，夸克起始通道在NNLO阶的贡献小于1.5%，表明其物理影响可忽略不计。
• 在主导喷注快度分布中，NLO修正在中央区域（10–20%）比接近$|Y^{\text{jet}}| = 2.5$时更大，而NNLO修正更为平坦，且完全落在NLO尺度变化带内。
• $p_T^{\text{jet}}$分布显示，从LO到NLO和从NLO到NNLO的$K$-因子持续减小，NNLO结果位于NLO尺度变化带之内。
• 希格斯玻色子横动量分布的$K$-因子在NLO阶接近$p_T^H = 60$ GeV时为40–120%，而在中心尺度$\mu = m_H$下，NNLO阶最大仅减少至20%。
• 对于$p_T^{\text{jet}}$和$p_T^H$分布，NNLO修正结果与先前使用区域改进残差减去法计算的$gg$和$qg$通道结果高度一致。