[论文解读] HNNLO: a MC program for Higgs boson production at hadron colliders

Massimiliano Grazzini|ArXiv.org|Jun 20, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

该论文提出HNNLO，一个用于在强子对撞机上计算胶子融合产生希格斯玻色子的蒙特卡罗程序，精度达到量子色动力学微扰理论的下一阶下一阶（NNLO）。该程序可实现对希格斯玻色子衰变至WW、ZZ和γγ末态的完全排他性、依赖于截断条件的截面与分布计算，展示了在大型强子对撞机（LHC）和 Tevatron 上真实实验截断条件下，显著降低了尺度依赖性并提升了稳定性。

ABSTRACT

We consider Higgs boson production through gluon--gluon fusion in hadron collisions. We present a numerical program that computes the cross section up to NNLO in QCD perturbation theory. The program allows the user to apply arbitrary cuts on the momenta of the partons and of the photons or leptons that are produced in the final state. We present selected numerical results at the Tevatron and the LHC.

研究动机与目标

• 为强子对撞机上通过胶子融合产生的希格斯玻色子提供完全排他性、依赖于截断条件的NNLO计算。
• 通过在末态轻子、光子和缺失能量上引入真实实验截断，解决包含性或喷流抑制预测的局限性。
• 通过改善尺度依赖性并对照MC@NLO和实验效率验证结果，降低理论不确定性。
• 在LHC和Tevatron上，为H→WW→lνlν和H→ZZ→4ℓ衰变模式提供希格斯信号强度与分布的精确预测。
• 通过提供NNLO精度、具备截断感知能力的截面，支持高精度希格斯粒子性质测量。

提出的方法

• 该程序基于逐区域减法方法，实现了一种用于QCD中完全排他性NNLO计算的数值方法。
• 通过大顶夸克质量近似，利用重夸克环计算胶子-胶子融合中的希格斯玻色子产生截面。
• 程序支持对部分子动量的任意截断，包括横动量、快度、隔离条件、不变质量以及喷流抑制条件。
• 使用MRST2004部分子分布函数，并在相应阶数（n+1）-圈下评估$α_{\mathrm{S}}$和PDF。
• 微扰重定标和因子化尺度设定为$\mu_R = \mu_F = M_H$、$M_H/2$或$2M_H$，用于不确定性估计。
• 程序输出完全排他性的事件级分布与分箱直方图，适用于与实验分析直接比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 当施加真实实验截断时，高阶QCD修正（NLO和NNLO）如何影响希格斯玻色子产生截面？
• RQ2 实验截断在多大程度上改变了希格斯产生微扰QCD预测的收敛性与尺度依赖性？
• RQ3 与包含结果相比，探测器类似截断下$K$-因子（高阶截面与LO截面之比）如何演化？
• RQ4 一个完全排他性的NNLO程序能否准确再现MC@NLO等蒙特卡罗生成器中观测到的实验效率与分布？
• RQ5 末态喷流抑制与轻子隔离截断对LHC和Tevatron上NNLO截面的稳定性与大小有何影响？

主要发现

• 在LHC上，当$M_H = 165$ GeV且$pp$质心系能量$\sqrt{s} = 14$ TeV时，NNLO截面在$\mu_R = \mu_F = M_H$下降至15.99 fb，$K$-因子为1.11，表明由于截断作用，结果具有强烈稳定性。
• 在$M_H = 200$ GeV的$H \to ZZ \to 4\ell$衰变模式中，NNLO截面在$\mu_R = \mu_F = M_H$下达到2.805 fb，$K$-因子为2.22，表明截断并未显著改变QCD修正的大小。
• $H \to WW \to l\nu l\nu$的效率从NLO时的8%降至NNLO时的6%，这是由于硬截断所致；而$H \to ZZ \to 4\ell$的效率在各阶次均保持在约62%的高水平。
• 在$H \to ZZ \to 4\ell$通道中，末态轻子的$p_T$谱在LO之后无微扰不稳定性，平滑趋近于动力学极限。
• 在Tevatron上，当$M_H = 160$ GeV时，NNLO截面为2.78 fb，$K$-因子为1.77，由于截断作用，显著低于包含值，且效率在NNLO时降至18%。
• 在NNLO下，截面的尺度依赖性降低至数值积分误差水平，表明在真实截断下理论鲁棒性得到显著改善。