[论文解读] Vector-Boson Fusion and Vector-Boson Scattering

Michael Rauch|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 26

一句话总结

本综述对大型强子对撞机（LHC）上矢量玻色子融合（VBF）和矢量玻色子散射（VBS）过程进行了全面的理论分析，重点研究了高阶量子色动力学（QCD）和电弱修正、部分子簇射匹配以及异常规范耦合的约束。结果表明，NLO QCD修正可稳定预测结果，部分子簇射匹配可减少中心喷流活动，未来高能运行将能通过VBS信号精确检验标准模型及新物理。

ABSTRACT

Vector-boson fusion and vector-boson scattering are an important class of processes for the Large Hadron Collider at CERN. It is characterized by two high-energetic jets in the forward regions of the detector and reduced jet activity in the central region. The higher center-of-mass energy during the current and subsequent runs strongly boosts the sensitivity in these processes and allows to test the predictions of the Standard Model to a high precision. In this review, we first present the main phenomenological features of vector-boson fusion and scattering processes. Then we discuss the effects of higher-order corrections, which are available at NLO QCD for all processes and up to N3LO QCD and NLO electro-weak for VBF-H production. An additional refinement is the addition of parton-shower effects, where recently a lot of progress has been made. The appearance of triple and quartic gauge vertices in the production processes enables us to probe anomalous gauge couplings. We introduce and compare the different parametrizations used in the literature and also discuss the issue of unitarity violation and common unitarization procedures. Finally, we give a short overview of current and possible future experimental searches.

研究动机与目标

• 为LHC物理中相关的矢量玻色子融合与散射过程提供详细的理论概述。
• 分析高阶QCD与电弱修正对VBF和VBS截面及分布的影响。
• 评估部分子簇射匹配在提升VBF事件模拟精度方面的作用。
• 评估VBF/VBS过程对异常规范耦合及通过有效场理论的新物理的敏感性。
• 总结当前实验结果及未来在高亮度和高能LHC运行中进行精确测量的前景。

提出的方法

• 使用Catani-Seymour减法方案处理VBF过程中出现的紫外和红外发散问题。
• 对VBF-希格斯玻色子产生过程应用下一阶（NLO）QCD与NLO电弱修正，其中包含N³LO QCD用于总截面计算。
• 采用POWHEG-BOX框架将NLO QCD计算与部分子簇射匹配，以降低对中心喷流活动预测的不确定性。
• 利用包含维度-6和维度-8算符的有效场理论参数化异常三重与四重规范耦合。
• 应用单位性约束与恢复技术（如K矩阵方法），以确保在大异常耦合下S矩阵的单位性。
• 比较不同异常耦合的参数化形式，并利用希格斯场的非线性实现推导其相互关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 NLO QCD与电弱修正如何影响VBF与VBS过程的截面及动量分布？
• RQ2 部分子簇射效应在多大程度上改变VBF事例中心区域的喷流活动？NLO计算与部分子簇射匹配如何提升预测的可靠性？
• RQ3 基于当前LHC数据，对异常三重与四重规范耦合的约束是什么？这些约束如何依赖于有效场理论参数化的选取？
• RQ4 在大异常耦合下，VBS振幅中单位性破坏如何产生？哪些单位化程序可恢复微扰一致性？
• RQ5 未来LHC运行（中心系能量13–100 TeV）对VBS过程中新物理的预期灵敏度如何？

主要发现

• VBF过程的NLO QCD修正虽适中但对稳定尺度依赖性不确定性至关重要，交换玻色子的动量转移量是最佳的重整化标度。
• 对于VBF-希格斯玻色子产生，NLO电弱修正与NNLO QCD修正均使截面减小，其中后者使结果超出NLO QCD的尺度不确定性区间。
• 通过POWHEG-BOX框架将NLO QCD计算与部分子簇射匹配，可显著降低对中心喷流活动预测的差异，实现低且可靠的喷流多重性。
• 在NLO匹配模拟中引入部分子簇射效应后，中心喷流活动保持稳定且较低，这是区分QCD诱导背景的关键判据。
• 当前LHC运行-I数据未显示与标准模型的显著偏离，将维度-8算符约束在95%置信水平下低于0.2–1 TeV⁻⁴。
• 未来高亮度与高能LHC运行（最高达100 TeV）将能对标准模型进行终极检验，对异常耦合的新物理探测灵敏度可达数TeV⁻⁴量级。