[论文解读] Higgs boson suppression in quark-gluon matter

D. d’Enterria, C. Loizides|arXiv (Cornell University)|Sep 18, 2018

High-Energy Particle Collisions Research被引用 3

一句话总结

本文通过真实的流体动力学建模和高精度截面计算，研究了致密夸克-胶子物质中希格斯玻色子的抑制效应。研究发现，介质中的末态相互作用通过胶子和夸克-反夸克道道增强了希格斯玻色子衰变为喷注，导致在LHC和FCC能量下的中心PbPb碰撞中，可探测的希格斯玻色子产额减少10–20%，尤其在横动量低于50 GeV时更为显著。

ABSTRACT

The final-state interactions of the Higgs boson in a dense quark-gluon medium are studied. Typical Higgs--parton scattering cross sections are found to be $\sigma_{Hqg}\approx$ 1--100 $\mu$b in the kinematical range of relevance at current and future hadron colliders. In-medium scatterings effectively lead to an enhancement of the Higgs decays into a pair of jets, mostly via $g\,H o\,g\,g,Q\,\bar{Q}$, and thereby to a depletion of its visible yields in the $H o\gamma\gamma,Z\,Z^*(4\ell)$ discovery channels compared to the accurate theoretical predictions for its production and decay in the absence of final-state interactions. By embedding Higgs bosons, with transverse momentum distributions computed at NNLO+NNLL accuracy, in an expanding quark-gluon medium modeled with 2D+1 viscous hydrodynamics with various QCD equations of state, we present realistic estimates of their suppressed yields as functions of transverse momentum $p_T^{H}$, and medium space-time size in pp, pPb, and PbPb collisions at LHC and FCC energies. A 10--20\% depletion of yields is expected in central PbPb collisions, mostly for $p_T^{H}\lesssim 50$ GeV.

研究动机与目标

• 量化末态相互作用对致密夸克-胶子物质中希格斯玻色子探测的影响。
• 利用真实的流体动力学演化模型，模拟重离子碰撞中希格斯玻色子产额的抑制。
• 评估介质诱导的衰变道增强对$\gamma\gamma$、$ZZ^*$和$4\ell$道中可观测希格斯信号的影响。
• 提供LHC和FCC能量下pp、pPb和PbPb碰撞中，希格斯产额抑制的精确、动量分辨估计。

提出的方法

• 采用2D+1黏性流体动力学模型，模拟重离子碰撞中膨胀的夸克-胶子介质。
• 使用NNLO+NNLL计算方法，精确计算希格斯玻色子横动量分布，以确保初始态动量的精确性。
• 计算与介质相互作用相关的希格斯-部分子散射截面（$\sigma_{Hqg} \approx$ 1–100 $\mu$b）。
• 模拟介质中希格斯玻色子衰变为$gg$、$q\bar{q}$及其他喷注末态，以模拟分支比的增强。
• 将希格斯玻色子嵌入介质中，并追踪其产额抑制随$p_T^H$和介质尺寸的变化。
• 应用多种QCD方程状态，评估结果在不同介质条件下的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在致密夸克-胶子介质中，末态相互作用如何影响$\gamma\gamma$、$ZZ^*$和$4\ell$衰变道中希格斯玻色子的可探测性？
• RQ2 在LHC和FCC能量下，中心PbPb碰撞中希格斯玻色子产额的抑制程度是多少？
• RQ3 抑制效应如何依赖于希格斯玻色子的横动量（$p_T^H$）和介质尺寸？
• RQ4 介质诱导的希格斯玻色子衰变为喷注的增强在多大程度上导致了产额减少？
• RQ5 不同QCD方程状态对预测抑制率有何影响？

主要发现

• 夸克-胶子介质中的末态相互作用通过$gH \to gg$和$q\bar{q}$过程增强了希格斯玻色子衰变为喷注。
• 增强的衰变分支比导致$\gamma\gamma$、$ZZ^*$和$4\ell$道中可观测希格斯信号的显著减弱。
• 在中心PbPb碰撞中，预计希格斯玻色子产额将减少10–20%，主要集中在$p_T^H \lesssim 50$ GeV范围内。
• 抑制效应在低横动量区域最为显著，并随介质尺寸和密度的增加而增强。
• 结果在不同QCD方程状态之间保持稳健，且与真实的流体动力学演化模型一致。
• 介质中希格斯-部分子散射截面估计为$\sigma_{Hqg} \approx$ 1–100 $\mu$b，表明介质中存在强烈的相互作用。