[论文解读] Higgs Decay to Order $\\alpha_s^4$

K.G. Chetyrkin, Bernd A. Kniehl+1 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 1997

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 16被引用 124

一句话总结

本文使用重顶夸克近似下的有效场论方法，计算了标准模型中希格斯玻色子衰变到两个胶子（H → gg）的三圈O(α²ₛ)量子色动力学（QCD）修正。关键结果是在MH = 100 GeV时，强子宽度增加了约1%，在下一下一阶（next-to-next-to-leading order）下K因子达到1 + 0.66 + 0.21，显著提升了大型强子对撞机（LHC）上希格斯玻色子产生截面的理论精度。

ABSTRACT

We present in analytic form the three-loop O(\\alpha_s^2) correction to the H -> gg partial width of the standard-model Higgs boson with intermediate mass M_H << 2 M_t. Its knowledge is required because the O(\\alpha_s) correction is so sizeable that the theoretical prediction to this order is unlikely to be reliable. For M_H=100 GeV, the resulting QCD correction factor reads $1+(215/12)\\alpha_s^{(5)}(M_H)/\\pi+150.419 (\\alpha_s^{(5)}(M_H)/\\pi)^2 \\approx 1+0.66+0.21$. The new three-loop correction increases the Higgs-boson hadronic width by an amount of order 1%.

研究动机与目标

• 在QCD三圈阶次上计算希格斯玻色子H → gg部分宽度的O(α²ₛ)修正。
• 改进LHC上通过胶子融合产生希格斯玻色子的理论预测，因为O(αₛ)修正已较大且在缺乏高阶项时不可靠。
• 在MH ≪ 2Mt极限下，提供K因子的解析结果，适用于中等质量希格斯玻色子。
• 通过两种独立方法验证结果：低能定理（LET）结合有效拉格朗日量方法，以及直接图解计算方法。
• 实现对希格斯强子宽度和胶子融合截面的精确预测，这对LHC上希格斯玻色子的发现与精密研究至关重要。

提出的方法

• 通过积分掉顶夸克，构建重顶夸克有效拉格朗日量，保留与H → gg相关的四维算符。
• 应用低能定理（LET）计算有效拉格朗日量的矩阵元，通过关于顶夸克质量的微分将其与希格斯衰变振幅关联。
• 使用图解场论技术，计算贡献于有效拉格朗日量系数C₁的657个三圈三线图。
• 计算403个三圈五线图的矩阵元⟨[O′₁][O′₁]⟩，提取其虚部以获得衰变宽度所需的虚部分量。
• 在MS方案中执行重整化，包括顶夸克尺度下的解耦效应，并将结果表示为α⁽ⁿˡ⁾ₛ(MH)形式，其中nₗ = 5种轻夸克种类。
• 利用低能定理的全阶推广版本进行交叉验证，确保有效场论方法与直接计算结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在标准模型中，希格斯玻色子衰变到两个胶子的三圈O(α²ₛ)修正为何值？
• RQ2 O(α²ₛ)修正的引入如何影响希格斯强子宽度的理论预测，特别是在MH ≈ 100 GeV时？
• RQ3 低能定理与有效场论技术是否可可靠地用于三圈阶次下计算H → gg振幅？
• RQ4 该新修正对LHC上希格斯玻色子产生截面计算中使用的K因子有何影响？
• RQ5 重整化群改进如何影响H → gg宽度微扰级数的稳定性和收敛性？

主要发现

• 在MH = 100 GeV时，O(α²ₛ)修正使希格斯玻色子强子宽度增加约1%。
• 对于MH = 100 GeV，K因子为K ≈ 1 + 0.66 + 0.21，其中第二项来自O(αₛ)修正，第三项来自O(α²ₛ)修正。
• O(α²ₛ)修正对K因子的贡献为150.419 × (α⁽⁵⁾ₛ(MH)/π)²，在MH = 100 GeV时带来0.21的增强。
• 结果在两种独立方法之间保持一致：有效拉格朗日量结合LET方法，以及直接三圈图解计算方法。
• 重整化群改进使K因子最大减少0.6%（当MH > 65.6 GeV时），证实了O(α²ₛ)结果的稳健性。
• 此处推导的K因子适用于两Higgs双峰模型中的中性CP偶宇称希格斯玻色子，当胶子耦合主要由顶夸克圈主导时。