[论文解读] Top-Bottom Interference Contribution to Fully Inclusive Higgs Production

M. Czakon, Felix Eschment+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文首次实现了在13 TeV下胶子融合过程中的全包容型希格斯玻色子产生中，顶-底夸克干涉贡献的精确下一阶下一阶（NNLO）量子色动力学（QCD）计算。尽管该干涉贡献受 $ m_b^2/m_H^2 $ 的幂次抑制，但其贡献为 −1.99(1)+0.30−0.15 pb，解决了希格斯截面预测中的主要理论不确定性，提升了新物理搜索的精度。

ABSTRACT

We evaluate the top-bottom interference contribution to the fully-inclusive Higgs production cross section at next-to-next-to-leading order in QCD. Although bottom-quark-mass effects are power-suppressed, the accuracy of state-of-the-art theory predictions makes an exact determination of this effect indispensable. The total effect of the interference at 13 TeV is $-1.99(1)^{+0.30}_{-0.15}$ pb, while the pure $\mathcal{O}(α_s^4)$ correction is 0.43 pb. With this result, we address one of the leading theory uncertainties of the cross section.

研究动机与目标

• 计算在QCD中NNLO下，全包容型希格斯玻色子产生过程中顶-底夸克干涉贡献的精确值。
• 解决由有限夸克质量效应引起的希格斯产生截面预测中主要的理论不确定性。
• 提供对幂次抑制但因对数增强而具有显著数值影响的干涉效应的精确、非微扰评估。
• 提高标准模型精密测试及新物理搜索中希格斯截面预测的准确性。

提出的方法

• 在质子部分子分布函数（PDFs）中采用五味夸克方案，将底夸克视为无质量，以完整包含QCD效应。
• 对胶子融合过程 $ gg \to H $ 中顶夸克与底夸克圈之间的干涉振幅进行了完整的NNLO计算。
• 在红外敏感区域实现了数值稳定的实辐射振幅，包括双虚修正。
• 结合解析与数值技术，处理完整的运动学依赖关系和红外奇点。
• 采用希格斯有效场论（HEFT）框架作为尺度和质量依赖性的参考。
• 通过与已知的NLO结果及阈值展开估计进行对比，验证了结果的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在QCD的NNLO下，顶-底夸克干涉对全包容型希格斯产生截面的确切贡献大小是多少？
• RQ2 该干涉效应在量级上与其它已知修正（如纯O(α₄ₛ)修正）相比如何？
• RQ3 尽管存在幂次抑制，形式为 $ \log^2(m_b^2/m_H^2) $ 的对数增强在多大程度上影响了干涉贡献？
• RQ4 该干涉对13 TeV下希格斯产生截面整体理论不确定性的贡献如何？
• RQ5 是否能可靠地计算完全包容极限下的干涉效应，包括双虚修正和实辐射贡献？

主要发现

• 在13 TeV下，NNLO QCD计算中，顶-底夸克干涉对全包容型希格斯产生截面的贡献为 −1.99(1)+0.30−0.15 pb。
• 该干涉效应显著大于纯O(α₄ₛ)修正（其值为0.43 pb），凸显了其重要性，尽管存在幂次抑制。
• 该干涉主要由形式为 $ \log^2(m_b^2/m_H^2) $ 的对数增强主导，这些增强部分抵消了 $ m_b^2 $ 的抑制效应。
• 该结果减少了希格斯截面预测中的主要理论不确定性之一，提升了LHC测量的精度。
• 计算结果证实，有限底夸克质量效应不可忽略，必须精确包含才能实现亚百分之一水平的精度。
• 本研究填补了NNLO希格斯产生计算中长期存在的空白，完整实现了全QCD干涉贡献。