[论文解读] The $q_T$ spectrum for Higgs production via heavy quark annihilation at N$^3$LL$'$+aN$^3$LO

Pedro Cal, Rebecca von Kuk+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次在五 flavour 方案下，利用软-喷注有效场论（SCET）对夸克-反夸克湮灭过程（q¯q → H）中的希格斯玻色子横动量（qT）谱进行了 N³LL′+aN³LO 预测。通过将对数修正项重求和至三圈阶，并与近似 N³LO 固定阶结果匹配，该研究实现了该过程迄今最高的精度。特别地，对底夸克道道中的大非奇异修正进行了专门处理，从而使得能够更精确地从 LHC 数据中提取希格斯玻色子的 Yukawa 耦合。

ABSTRACT

We study the transverse momentum ($q_T$) spectrum of the Higgs boson produced via the annihilation of heavy quarks ($s,c,b$) in proton-proton collisions. Using soft-collinear effective theory (SCET) and working in the five-flavour scheme, we provide predictions at three-loop order in resummed perturbation theory (N$^3$LL$'$). We match the resummed calculation to full fixed-order results at next-to-next-to-leading order (NNLO), and introduce a decorrelation method to enable a consistent matching to an approximate N$^3$LO (aN$^3$LO) result. Since the $b$-quark initiated process exhibits large nonsingular corrections, it requires special care in the matching procedure and estimation of associated theoretical uncertainties, which we discuss in detail. Our results constitute the most accurate predictions to date for these processes in the small $q_T$ region and could be used to improve the determination of Higgs Yukawa couplings from the shape of the measured Higgs $q_T$ spectrum.

研究动机与目标

• 为小 qT 区域的夸克-反夸克湮灭过程（q¯q → H）提供迄今为止最精确的理论预测，即希格斯玻色子横动量（qT）谱。
• 将软-喷注有效场论（SCET）中的重求和扩展至 N³LL′ 阶，以实现 q¯q → H 过程的更高精度，此前该过程仅达到 NNLL+NNLO 精度。
• 提出并应用一种新式去相关方法，以一致地将重求和结果与近似 N³LO（aN³LO）固定阶计算结果匹配，尤其针对底夸克道道中较大的非奇异修正进行处理。
• 实现从 LHC 测量的 qT 谱形状中更优地确定希格斯玻色子对底夸克、粲夸克和奇异夸克的 Yukawa 耦合。

提出的方法

• 利用软-喷注有效场论（SCET）对 q¯q → H 过程中形式为 αs^n ln^m(qT/mH) 的对数修正项进行三圈阶重求和（N³LL′）。
• 在五 flavour 方案下进行计算，将参与湮灭的夸克视为无质量，同时保留在 Yukawa 耦合，有限质量效应作为次领头阶修正处理。
• 提出一种新颖的去相关方法，以分离奇异（软-喷注）与非奇异（硬）贡献，从而实现重求和结果与近似固定阶结果在 aN³LO 阶的一致匹配。
• 使用标准尺度与轮廓尺度控制微扰展开并估计理论不确定性，尤其在非奇异修正较大的底夸克道道中具有重要意义。
• 通过解析与数值检验验证固定阶分量（LO1, NLO1, NNLO1），包括与已知结果对比及与独立计算的交叉验证。
• 进行全面的不确定性分析，包括变尺度的因子化与重整化尺度变化，并利用 MSHT20nnlo 与 MSHT20an3lo PDF 集评估 PDF 依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 三圈重求和（N³LL′）对夸克-反夸克湮灭过程中希格斯玻色子 qT 谱的影响如何，特别是在小 qT 区域？
• RQ2 当非奇异修正较大（如在底夸克道道中）时，如何实现 N³LL′ 重求和结果与近似 N³LO 固定阶计算结果的一致匹配？
• RQ3 在 b¯b → H 过程中，非奇异修正在多大程度上影响理论不确定性与 qT 谱的形状？
• RQ4 不同 PDF 集与因子化尺度选择如何影响最终预测及其不确定性？
• RQ5 与以往的 NNLL+NNLO 结果相比，N³LL′+aN³LO 预测是否能显著提升对希格斯玻色子 Yukawa 耦合在 qT 谱中的敏感度？

主要发现

• N³LL′+aN³LO 对 q¯q → H qT 谱的预测是目前该过程最精确的理论结果，尤其在小 qT 区域表现突出。
• 去相关方法成功实现了重求和结果与近似固定阶结果之间的一致匹配，其中底夸克道道因非奇异修正较大而需特别处理。
• 重求和级数的微扰收敛性极佳，修正项在 N³LL′ 阶趋于稳定，理论不确定性得到良好控制，尤其当采用中心因子化尺度 µF = mH 时效果更佳。
• 与 MSHT20nnlo 相比，MSHT20an3lo 底夸克 PDF 集在 qT ≲ 20 GeV 区域使 qT 谱增加约 5–10%，但该差异未显著改变整体预测或其不确定性。
• 本结果为从希格斯玻色子 qT 谱中提取 Yukawa 耦合提供了关键理论输入，有潜力利用现有 LHC 数据约束 κb 与 κc，ATLAS 与 CMS 的结果已对此进行了验证。