[论文解读] Higgs Boson Production in Association with Bottom Quarks

J. M. Campbell, S. Dawson+8 more|ArXiv.org|May 31, 2004

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 35

一句话总结

本文针对 Tevatron 和 LHC 上底夸克关联的 Higgs 玻色子产生过程，进行了下一阶修正（NLO）QCD 计算，比较了四 flavor 数方案与五 flavor 数方案。结果表明，NLO 修正可将理论不确定性降低高达 50%，并确认两种方案的一致性，其中五 flavor 数方案能更有效地重求和来自底夸克质量效应的大对数项。

ABSTRACT

In the Standard Model, the coupling of the Higgs boson to b quarks is weak, leading to small cross sections for producing a Higgs boson in association with b quarks. However, Higgs bosons with enhanced couplings to b quarks, such as occur in supersymmetric models for large values of tan beta, will be copiously produced at both the Tevatron and the LHC in association with b quarks, which will be an important discovery channel. We investigate the connections between the production channels, bg -> bh and gg ->b bbar h, at next-to-leading order (NLO) in perturbative QCD and present results for the cases with two high p_T b jets and with one high p_T b jet at both the Tevatron the the LHC. Finally, the total cross sections without cuts are compared between gg -> b bbar h at NLO and b bbar ->h at NNLO.

研究动机与目标

• 研究 Tevatron 和 LHC 上 Higgs 玻色子与底夸克关联产生的过程，特别是在 MSSM 大 tanβ 情形下底-Yukawa 耦合增强的场景。
• 解决涉及底夸克的 Higgs 产生截面中因尺度和方案依赖性带来的理论不确定性。
• 比较四-flavor-number 方案（初始态显式包含底夸克）与五-flavor-number 方案（使用底部分布函数）在 Higgs + b-jet 最终态中的结果。
• 评估 NLO QCD 修正对 Higgs 产生截面的影响，包括一个或两个高 pT 底夸克喷注的情形，以及包含所有 Higgs 产生过程的情形。
• 评估在共线 b̄b 分裂过程中出现的大对数项 Lb ≡ log(Q²/m²b) 存在时，微扰 QCD 计算的收敛性与可靠性。

提出的方法

• 在四-flavor-number 方案中对子过程 gg → b̄bh 和 gb → bh 进行 NLO QCD 计算，对底夸克喷注施加横动量和赝快度截断。
• 在五-flavor-number 方案中使用演化后的底部分布函数，以重求和大对数项 Lb ≡ log(Q²/m²b)，其中 Q 为底夸克横动量的标度。
• 对 Higgs 产生过程中包含一个或两个标记底夸克喷注以及包含所有 Higgs 产生过程的情形，比较四-与五-flavor-number 方案的结果。
• 使用 CTEQ6L1（LO）和 CTEQ6M（NLO）部分子分布函数，取 αs(NLO)(MZ) = 0.118 和 mb(pole) = 4.62 GeV。
• 通过将 μR = μF 在 (2mb + Mh)/8 到 (2mb + Mh)/2 之间变化，研究尺度依赖性，以估计理论不确定性。
• 将 NLO 四-flavor-number 结果与 b̄b → h 的 NNLO 五-flavor-number 结果进行比较，采用相同的 Higgs 质量和标度假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 NLO QCD 修正如何影响 Tevatron 和 LHC 上 Higgs 玻色子与一个或两个高 pT 底夸克喷注关联产生的截面？
• RQ2 四-flavor-number 与五-flavor-number 方案在 Higgs + b-jet 最终态预测上的一致性程度如何？两者的尺度依赖性有何比较？
• RQ3 重求和大对数项 Lb ≡ log(Q²/m²b) 对 Higgs + b-jet 产生截面的理论不确定性有何影响？
• RQ4 gg → b̄bh 和 gb → bh 的 NLO 结果与 b̄b → h 的 NNLO 结果在截面和尺度依赖性方面有何比较？
• RQ5 在四-flavor-number 方案中，包含闭合顶夸克圈对包含截面有何影响？与五-flavor-number 方案相比如何？

主要发现

• NLO QCD 修正可将 Higgs + 2b-jet 产生过程的理论不确定性降低高达 50%，显著提升精度。
• 与领先阶预测相比，Higgs + 2b-jet 产生过程的 NLO 截面可增强高达 50%，具体取决于 Higgs 质量和动量截断条件。
• 在高 Higgs 质量区域（Mh > 120 GeV），五-flavor-number 方案的截面大于四-flavor-number 方案，且在较低质量区域该差异减小。
• 四-flavor-number 方案的 NLO 结果与五-flavor-number 方案的 NNLO 结果在 b̄b → h 过程中相互一致，其不确定性范围重叠，确认了高阶计算下两种方案的一致性。
• 在四-flavor-number 方案中，包含闭合顶夸克圈使 Mh = 120 GeV 时的包含截面在 Tevatron 上减少约 4%，在 LHC 上减少约 9%。
• 四-flavor-number 方案中 NLO 截面的尺度依赖性仍然显著，表明大对数项 Lb 的重求和不完全；而五-flavor-number 方案能更有效地控制此类不确定性。