[论文解读] Inclusive Production Cross Sections at N3LO

Julien Baglio, Claude Duhr+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文首次在强子对撞机上实现了胶子-胶子融合过程的Higgs玻色子与重规范玻色子（VH）产生过程的三阶近似（N³LO）QCD计算，引入了公开的n3loxs软件工具，用于精确的N³LO截面计算。研究提供了W±H与ZH产生过程的全面现象学预测，包括尺度和PDF不确定性，并揭示了在N³LO精度下，全球PDF集合之间存在显著的1σ偏差。

ABSTRACT

We present for the first time the inclusive cross section for associated Higgs boson production with a massive gauge boson at next-to-next-to-next-to-leading order in QCD. Furthermore, we introduce n3loxs, a public, numerical program for the evaluation of inclusive cross sections at the third order in the strong coupling constant. Our tool allows to derive predictions for charged- and neutral-current Drell-Yan production, gluon- and bottom-quark-fusion Higgs boson production and Higgs boson associated production with a heavy gauge boson. We discuss perturbative and parton distribution function (PDF) uncertainties of the aforementioned processes. We perform a comparison of global PDF sets for a variety of process including associated Higgs boson production and observe $1σ$ deviations among predictions for several processes.

研究动机与目标

• 计算在QCD中，Higgs玻色子与W±和Z玻色子联合产生的总截面至N³LO精度，这是迈向精确标准模型现象学的关键一步。
• 开发并发布n3loxs，一个公开的数值程序，用于计算包括Drell-Yan过程、胶子-胶子融合与底夸克融合Higgs产生，以及VH产生在内的多种过程的N³LO总截面。
• 评估N³LO精度下的微扰尺度不确定性和部分子分布函数（PDF）不确定性，为未来的LHC与HL-LHC分析提供基准参考。
• 比较不同全球PDF集合的预测结果，识别出在N³LO精度下截面预测中出现的1σ偏差，揭示高精度QCD计算对PDF选择的敏感性。

提出的方法

• 作者采用先进的固定阶微扰QCD技术，计算了包含虚拟、实和有理贡献在内的N³LO QCD修正，用于总截面的VH产生过程。
• 通过n3loxs软件框架实现N³LO截面的数值计算，支持包括Drell-Yan、胶子-胶子融合Higgs产生、底夸克融合Higgs产生以及VH产生在内的多种过程。
• 采用标准QCD惯例，通过在动态中心尺度（μ₀ = MH + MW 或 MH + MZ）周围进行7点尺度变化，估算尺度不确定性。
• PDF不确定性采用PDF4LHC15_nnlo_mc集合进行评估，并额外引入PDF+αS与PDF-TH不确定性估计，以分析PDF与强耦合常数依赖性。
• 该代码支持总截面与分箱截面的计算，可在Z与W玻色子峰附近的质量窗口内实现微分预测。
• 现象学结果在多个质心系能量（7–100 TeV）下呈现，包括详细的截面与不确定性表格。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强子对撞机上，Higgs玻色子与重规范玻色子（W±H与ZH）联合产生过程的N³LO QCD修正为何值？
• RQ2 尺度与PDF不确定性在N³LO下如何演化？与低阶结果相比，其收敛行为是否符合预期？
• RQ3 不同全球PDF集合在N³LO精度下对VH产生过程的预测差异有多大？这对高精度现象学有何影响？
• RQ4 n3loxs代码如何实现对广泛过程类别的N³LO截面进行精确且高效的计算？
• RQ5 强耦合常数αS对N³LO预测中整体不确定性预算的影响如何？

主要发现

• 首次给出了W±H与ZH产生过程在N³LO精度下的总截面，其值从√s = 7 TeV时的0.218 pb（ZH）到100 TeV时的8.93 pb（ZH）不等。
• 与低阶结果相比，N³LO精度下的尺度不确定性显著降低，W⁻H的波动范围为±0.22–0.58%，ZH为±0.15–0.48%，表明微扰展开的收敛性得到改善。
• PDF不确定性在N³LO下范围为±1.56%至±2.59%，在高能区与W⁺H产生过程中达到最大值。
• 在截面预测中观察到不同全球PDF集合之间存在1σ偏差，尤其在W⁺H与ZH过程中更为显著，凸显了N³LO结果对PDF选择的敏感性。
• n3loxs代码成功实现了质量窗口内分箱截面的计算，可在Z与W峰附近实现最小为0.5 GeV的分箱，支持微分预测。
• 研究证实，PDF与αS不确定性在N³LO下仍具显著影响，尤其在高能区，PDF+αS与PDF-TH不确定性常超过尺度不确定性。