[论文解读] RG improved Higgs boson production to N$^3$LO in QCD

Taushif Ahmed, Goutam Das+3 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的重整化群（RG）改进方法，用于在胶子融合过程中的希格斯玻色子产生截面中对大对数项进行重求和，显著降低了重整化尺度的不确定性。通过系统地在微扰QCD中对所有阶次的RG可访问对数项进行重求和，该方法将固定顺序N³LO下的尺度不确定性从27%降低至1.5%，覆盖了广泛的重整化尺度，从而提升了LHC物理的理论精度。

ABSTRACT

The recent result on the third order correction to the Higgs boson production through gluon fusion by Anastasiou et al. [1] not only provides a precise prediction with reduced scale uncertainties for studying the Higgs boson properties but also establishes the reliability of the perturbative QCD. In this letter, we propose a novel approach to further reduce the uncertainty arising from the renormalization scale by systematically resumming the renormalization group (RG) accessible logarithms to all orders in the strong coupling constant. Our numerical study based on this approach, demonstrates a significant improvement over the fixed order predictions.

研究动机与目标

• 为胶子融合过程中希格斯玻色子产生在固定顺序N³LO预测中的残余重整化尺度依赖性提供减小。
• 利用重整化群不变性，系统地对重整化尺度的大对数项进行重求和。
• 提升升级后LHC中希格斯玻色子性质研究的理论精度。
• 通过所有阶次重求和最小化尺度不确定性，展示微扰QCD的稳健性。
• 提供一个可应用于其他高能过程（如顶夸克对和多喷注产生）的框架。

提出的方法

• 利用希格斯玻色子截面的重整化群（RG）不变性，推导出一种微扰展开式，可对重整化尺度的大对数项进行所有阶次重求和。
• 将截面表示为强耦合常数的幂级数，其系数由RG演化和β函数系数决定。
• 利用β函数和低阶RG系数，推导出各级次对数系数的递推关系。
• 通过参考尺度μ₀求解有效截面的RG方程，实现对对数项的系统性重求和。
• 将重求和后的截面应用于LHC质心系能量，并与固定顺序预测比较尺度依赖性。
• 在广泛的重整化尺度范围[0.1m_H, 10m_H]内进行数值计算，以量化不确定性降低的程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在N³LO阶下，对重整化尺度对数项进行所有阶次重求和是否能降低希格斯玻色子产生中的尺度不确定性？
• RQ2 与固定顺序预测相比，重求和截面在极端重整化尺度变化下的行为如何？
• RQ3 在N³LO阶使用RG改进结果时，尺度不确定性的定量降低程度是多少？
• RQ4 该重求和方法在不同LHC质心系能量下是否保持稳定性？
• RQ5 这种基于RG的重求和技术能否推广至其他高能QCD过程？

主要发现

• RG改进后的截面将尺度不确定性从N³LO固定顺序下的27%降低至μ_R ∈ [0.1m_H, 10m_H]范围内的1.5%。
• 重求和预测对重整化尺度变化的敏感性显著降低，尤其在μ_R < m_H区域，固定顺序结果表现出非物理的下降趋势。
• 在N³LO阶，固定顺序截面在μ_R < 0.5m_H时由于大对数贡献而出现下降，而重求和结果保持稳定且单调。
• 重求和截面在不同LHC质心系能量下均保持稳定，其尺度不确定性比固定顺序预测下降得更快。
• 该方法成功抑制了在极端尺度选择下固定顺序结果中出现的非物理符号翻转和非单调行为。
• 该方法具有普适性，可推广应用于其他QCD过程，如顶夸克对和多喷注产生。