[论文解读] Higgs plus one jet production at NNLO

Xuan Chen, T. Gehrmann+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 7

一句话总结

本论文首次在重顶夸克近似下，采用胶子子减法形式体系，完成了大型强子对撞机（LHC）上Higgs玻色子与一束喷注产生过程的完整下一阶下一阶（NNLO）计算。该计算显著降低了理论不确定性，并对总截面与微分截面提供了精确预测，与ATLAS实验在低横动量区域的数据吻合良好，但在高 $p_{\mathrm{T}}$ 区域存在轻微低估，凸显了需要更多Run 2数据以解决这一差异。

ABSTRACT

We present the computation of Higgs boson plus one jet production at NNLO at the LHC. The computation is carried out in the heavy-top-quark approximation and using the antenna subtraction formalism to handle the IR divergent structure of the individual contributions. All channels and all colours are included. We illustrate aspects of the subtraction formalism and present results for the total cross section as well as distributions in the kinematical variables using a realistic experimental setting. We make a comparison between our results and recent ATLAS data for $H+j$ production.

研究动机与目标

• 计算质子-质子对撞中在8 TeV下Higgs玻色子与一束喷注产生过程的完整NNLO修正。
• 实现一种稳健的红外减法方案，能够处理该过程全部的红外发散问题，涵盖完整的颜色结构与手征态。
• 在真实的ATLAS实验条件下，提供总截面与微分分布的精确预测。
• 在高多重性、全颜色NNLO计算中，将胶子子减法形式体系与其它减法方法进行基准对比。
• 通过提供一个灵活、独立的蒙特卡罗生成器，为未来Higgs玻色子性质的精确研究奠定基础，适用于H+j末态。

提出的方法

• 计算在重顶夸克有效理论框架下进行，将费曼图的圈数减少一个，适用于低于 $2m_t$ 的能量尺度。
• 采用胶子子减法形式体系，系统性地消除双实、实-虚及双虚贡献中产生的红外发散。
• 计算中包含了所有颜色结构与手征态，确保了完整的颜色与运动学完备性。
• 减法项由通用胶子子函数构造，能够再现矩阵元在未分辨配置下的奇异极限行为。
• 通过蒙特卡罗方法进行数值积分，相空间积分中引入喷注函数以定义末态。
• 结果通过独立的NNLO计算进行验证，并在相同的实验截断条件与设置下与ATLAS数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 NNLO修正如何影响LHC上Higgs玻色子与一束喷注产生过程的总截面与微分分布？
• RQ2 胶子子减法形式体系在全颜色、全手征态NNLO计算中，对处理红外发散问题的可靠性与效率如何？
• RQ3 NNLO预测在形状与归一化方面与现有ATLAS实验数据在 $H+j$ 产生过程中的表现如何？
• RQ4 在包含NNLO修正后，残余理论不确定性是多少？与LO和NLO相比有何差异？
• RQ5 在哪些运动学区域中，重顶近似失效？有限顶夸克质量效应在观测到的与数据差异中起什么作用？

主要发现

• 在 $\sqrt{s} = 8$ TeV下，$H+j$ 产生的总NNLO截面与Caola、Melnikov和Schulze在相同几何截断设置下的结果高度一致。
• 与NLO相比，NNLO修正使总截面增强约10–15%，残余尺度不确定性约为10%。
• 对于主导喷注横动量分布，在低 $p_{\mathrm{T}}$ 区域，NNLO修正使截面增加至最多1.2倍，而在高 $p_{\mathrm{T}}$ 区域趋近于1，此时有效理论失效。
• Higgs玻色子横动量分布显示，在中等 $p_{\mathrm{T}}$ 区域增强最多达1.3倍，残余尺度不确定性为10–15%。
• 在高 $p_{\mathrm{T}}$ 区域，NNLO预测值在主导喷注与Higgs玻色子的分布上均低于ATLAS数据点，提示可能存在张力，未来更多Run 2数据或可解决此问题。
• NNLO修正对分布形状的影响较小，主要效应为整体归一化的偏移，而非显著改变运动学结构。