LHC における aN$^3$LO Parton 分布関数と Higgs 生成断面積への影響

核心概念

最新の近似N3LO（aN3LO）Parton分布関数（PDF）セットを用いることで、LHCにおけるHiggs生成断面積の予測精度が大幅に向上する。

要約

LHC における aN$^3$LO Parton 分布関数と Higgs 生成断面積への影響

書誌情報
T. Cridge et al. (MSHT Collaboration and NNPDF Collaboration), "Combination of aN$^3$LO PDFs and implications for Higgs production cross-sections at the LHC," arXiv:2411.05373v1 [hep-ph] (2024).
研究目的
本研究の目的は、最新の近似N3LO（aN3LO）Parton分布関数（PDF）セットを用いて、LHCにおけるHiggs生成断面積のより正確な予測を提供することである。
方法
本研究では、MSHTとNNPDFの2つのグループによって開発された2つのaN3LO PDFセット、MSHT20とNNPDF4.0を組み合わせた。これらのセットは、PDFの決定に使用される理論的予測における高次補正の欠落による不確実性を含むかどうかが異なる。本研究では、これらの違いを考慮して、2つのセットを組み合わせ、保守的な不確実性推定値を得るための方法を提案している。
主な結果

MSHT20とNNPDF4.0のaN3LO PDFセットは、全体として互換性があるものの、いくつかのパートン種、特にグルーオンPDFで顕著な違いが見られる。
これらの違いは、パートン光度、特にグルーオン-グルーオン光度に影響を与え、LHCにおけるHiggs生成断面積の予測に影響を与える。
NNLO PDFの代わりにaN3LO PDFを使用すると、特にグルーオン-グルーオンおよびクォーク-クォークの光度に敏感なHiggsグルーオンおよびベクトルボソン融合チャネルにおいて、より正確なN3LO現象論が可能になる。
結論
本研究では、2つの既存のaN3LO PDFセットを組み合わせることで、LHCにおけるHiggs生成断面積のより正確な予測が可能になることを示した。この組み合わせは、個々のセットよりも保守的な不確実性推定値を提供し、LHC現象論の精度を向上させるために重要である。
意義
本研究は、LHCにおけるHiggs生成断面積の理論計算の精度を向上させるものであり、実験データの解釈や新しい物理現象の探索に重要な意味を持つ。
制限と今後の研究
本研究では、2つの特定のaN3LO PDFセットの組み合わせに焦点を当てている。今後、より多くのaN3LO PDFセットが利用可能になれば、より包括的な組み合わせ分析を行うことが望ましい。また、本研究では、PDFの決定に使用される理論的予測における高次補正の欠落による不確実性のみを考慮している。他の理論的不確実性の影響についても、将来の研究で検討する必要がある。

統計

グルーオン-グルーオン光度は、102 ≲mX ≲103 GeV の範囲で、NNPDF4.0 では約 3%、MSHT20 では最大 6% 抑制される。
グルーオン-クォーク光度は、同じ領域で、NNPDF4.0 では約 1%、MSHT20 では 3% 抑制される。

抽出されたキーインサイト

Combination of aN$^3$LO PDFs and implications for Higgs production cross-sections at the LHC

by Thomas Cridg... 場所 arxiv.org 11-11-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.05373.pdf

深掘り質問

この研究で提案されたaN3LO PDFの組み合わせ方法は、他のLHCプロセスにどのように適用できるか？

この研究で提案されたaN3LO PDFの組み合わせ方法は、基本的に他のLHCプロセスにも適用できます。具体的には、以下のような手順を踏みます。

対象プロセスのパートンレベルでの断面積をN3LO精度で計算する。 これは、高次摂動計算を必要とするため、プロセスによっては困難な場合があります。
MSHT20とNNPDF4.0のaN3LO PDFセットを用いて、それぞれパートンレベルでの断面積をハドロンレベルでの断面積に畳み込む。 この際、各PDFセットのエラーセットを用いて、PDF誤差を評価します。
得られた2つのハドロンレベルでの断面積を、PDF4LHCの手法を用いて組み合わせる。 具体的には、各PDFセットから生成されたモンテカルロレプリカを同数ずつマージし、新たなレプリカセットを作成します。このマージされたセットが、2つのPDFセットを等確率で組み合わせた確率分布に対応し、それぞれのPDFセットの不確かさを包含する、より保守的な誤差評価が可能になります。

ただし、この組み合わせ方法は、MSHT20とNNPDF4.0のaN3LO PDFセットが、クォーク質量の処理など、いくつかの理論的および方法論的な仮定において異なることに注意が必要です。そのため、重いクォークの質量効果が重要な領域、例えばボトムクォーク融合を介したヒッグス粒子の生成などには、この組み合わせたPDFは信頼性が低くなります。

MSHT20とNNPDF4.0のaN3LO PDFセットで見られる違いは、実験データによってどのように制約できるか？

MSHT20とNNPDF4.0のaN3LO PDFセットで見られる違いは、主にグルーオンPDFの中程度のxの領域($10^{-3} \lesssim x \lesssim 10^{-1}$)における形状の違いに起因しています。この違いは、実験データ、特にLHCにおけるジェットや重フレーバー生成の精密測定によって制約することができます。
具体的には、以下のような測定が有効と考えられます。

ジェット生成断面積の精密測定: グルーオンPDFは、ジェット生成断面積に大きく寄与するため、その形状を制約する上で重要です。特に、前方ラピディティ領域におけるジェット生成断面積は、グルーオンPDFの中程度のxの領域に敏感であるため、有効な制約を与えると期待されます。
重フレーバー生成断面積の精密測定: チャームやボトムクォークなどの重フレーバーの生成断面積も、グルーオンPDFに敏感です。特に、重フレーバー対の質量やラピディティ分布は、グルーオンPDFの形状に関する情報を含んでいるため、その精密測定が重要となります。
これらの測定データを用いたグローバルPDFフィッティングによって、MSHT20とNNPDF4.0のaN3LO PDFセットで見られる違いを縮小し、より高精度なPDF決定が可能になると期待されます。

Parton分布関数の精度が向上することで、LHCにおける新しい物理現象の探索にどのような影響が期待されるか？

Parton分布関数の精度向上は、LHCにおける新しい物理現象の探索に以下の2つの面で大きく貢献すると期待されます。

背景事象のより正確な見積もり: 新しい物理現象の探索においては、標準模型による背景事象を正確に見積もることが不可欠です。Parton分布関数の精度向上は、背景事象の断面積や運動学的分布の不確かさを減少させ、より信頼性の高い背景事象の見積もりを可能にします。その結果、統計的に有意な信号をより少ないデータ量で見つけることが期待できます。
信号事象の感度向上: Parton分布関数の精度向上は、信号事象の断面積や運動学的分布の予測精度も向上させます。これにより、信号事象と背景事象の分離が容易になり、新しい物理現象に対する感度が向上すると期待されます。

特に、ヒッグス粒子やトップクォークなどの重い粒子の生成、およびそれらと関連する物理過程は、グルーオンPDFに大きく依存するため、その精度向上は、新しい物理現象の探索に非常に重要です。
例えば、超対称性理論や余剰次元理論など、多くの標準模型を超える物理模型は、標準模型粒子と質量が近い、あるいは標準模型粒子と相互作用する新しい粒子を予言しています。これらの粒子は、LHCにおいて生成され、標準模型粒子に崩壊すると考えられていますが、その生成断面積や崩壊様式は、Parton分布関数に依存します。
Parton分布関数の精度が向上することで、これらの新しい粒子の生成断面積や崩壊様式をより正確に予測することが可能となり、LHCにおける探索の感度が向上すると期待されます。また、背景事象のより正確な見積もりも、新しい物理現象の発見につながる可能性を高めます。
このように、Parton分布関数の精度の向上は、LHCにおける新しい物理現象の探索にとって非常に重要であり、今後の実験データと理論研究の進展によって、更なる精度向上が期待されます。