[论文解读] Next-to-Leading Order Corrections to Higgs Boson Pair Production in Gluon Fusion

Matthias Kerner|arXiv (Cornell University)|Aug 12, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用 3

一句话总结

本论文通过SecDec程序的数值两圈积分，实现了胶子融合过程中Higgs玻色子对产生过程的下一阶修正（NLO）QCD计算，完整包含顶夸克质量依赖性。与重顶近似相比，总截面降低了14%，在高不变质量区域偏差最大可达30%，凸显了在LHC精确预测中包含顶夸克质量效应的必要性。

ABSTRACT

We present a calculation of the next-to-leading order QCD corrections to the production of Higgs boson pairs in gluon fusion keeping the full dependence on the mass of the top quark. The virtual corrections, involving two-loop integrals with up to four mass scales, have been calculated numerically and we present an efficient algorithm to obtain accurate results of the virtual amplitude using numerical integrations. Taking the top quark mass into account we obtain significant differences compared to results obtained in the heavy top limit.

研究动机与目标

• 计算胶子融合过程中Higgs玻色子对产生过程的下一阶修正QCD，完整包含顶夸克质量依赖性。
• 解决重顶近似在顶夸克质量非主导能量尺度的相空间区域表现不佳的局限性。
• 开发并验证一种用于多质量标度下两圈振幅数值计算的框架。
• 为未来多圈振幅计算的自动化工具提供基准参考。

提出的方法

• 通过与SecDec程序的接口，以数值方式计算虚振幅，实现最多四个质量标度的两圈积分。
• 使用Qgraf生成费曼图，通过Form投影到形式因子，并利用Reduze将其约化为单圈积分，约化过程中固定顶夸克质量为mt = 173 GeV，Higgs玻色子质量为mh = 125 GeV。
• 将非平面张量积分重写为标量积形式，以实现数值计算，最终得到327个积分（含交叉通道变体）。
• 采用具有动态采样点调整的准蒙特卡洛积分算法，实现高精度的虚振幅计算。
• 通过第二套实现进行验证，并与HEFT及1/m_t^2展开结果进行比较。
• 通过将μR和μF在μ = mhh/2附近上下变化两倍来估计尺度不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与重顶近似相比，完整顶夸克质量效应如何改变胶子融合中Higgs玻色子对产生的NLO截面？
• RQ2 在高不变质量或横动量区域，Born改进的Higgs有效场论（HEFT）在描述微分分布时失效的程度如何？
• RQ3 当解析解不可用时，数值两圈积分技术能否准确捕捉虚振幅？
• RQ4 NLO修正在不同相空间区域（尤其是顶夸克阈值附近）如何变化？
• RQ5 顶夸克质量效应对总截面及微分分布中K因子的定量影响是什么？

主要发现

• 总NLO截面为32.90+14%−13% fb，相比HEFT近似值38.32 fb降低了14%。
• 在高不变质量区域（mhh > 400 GeV），与HEFT结果相比，顶夸克质量效应使截面降低20–30%。
• 在高mhh区域，K因子（NLO/LO）显著减小，而HEFT近似显示K因子递增，表明该近似在此区域失效。
• NLO结果在横动量分布中表现出近乎恒定的K因子，而HEFT近似在高pT,h区域高估了修正。
• 1/m_t^2展开仅在低于顶阈值区域（mhh < 2mt）收敛至全振幅，但在更高不变质量区域无法准确描述振幅。
• 数值计算的虚振幅在低mhh区域与1/m_t^2展开结果吻合良好，但在高mhh区域出现发散，证实了完整顶夸克质量依赖性的关键作用。