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在考慮所有頂夸克效應的情況下,計算了NNLO+PS精度的希格斯玻色子產生率


核心概念
本文首次在NNLO精度下,完整考慮了頂夸克質量效應對強子對撞中希格斯玻色子產生的影響,並使用MiNNLOPS方法將其與部分子簇射進行了匹配。
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文獻資訊 Niggetiedt, M., & Wiesemann, M. (2024). Higgs-boson production in the full theory at NNLO+PS (MPP-2024-120). Max-Planck-Institut für Physik. 研究目標 本研究旨在於 NNLO QCD 精度下,首次在微分層級計算膠子融合產生希格斯玻色子的過程,並完整考慮頂夸克質量效應,以評估其對 LHC 相關觀測量的影響。 方法 採用 MiNNLOPS 方法,將 NNLO QCD 修正與部分子簇射進行匹配。 使用 OpenLoops 計算 pp → H、pp → Hj 和 pp → Hjj 過程的單圈平方振幅。 透過深度漸近展開,有效地評估了雙圈和三圈 gg → H 振幅。 對於計算量較大的雙圈 pp → Hj,採用基於三次 B 樣條的數值插值法。 主要發現 相較於無限重頂夸克近似 (HTL),完整考慮頂夸克質量效應後,總截面增加了約 6.2%。 在希格斯玻色子的橫向動量譜、領頭噴射粒子的橫向動量譜以及次領頭噴射粒子的橫向動量譜中,頂夸克質量效應呈現出相似的行為:在低橫向動量區域,效應約為 +6%,而在高橫向動量區域,效應則隨著橫向動量的增加而降低截面。 先前採用的頂夸克質量效應近似方法,對於 NNLO 可觀測量(如總截面和希格斯玻色子速度分佈)提供了良好的近似。 主要結論 在膠子融合產生希格斯玻色子的模擬中,必須考慮頂夸克質量效應。 本文開發的 pp → H MiNNLOPS 生成器,是目前模擬 LHC 希格斯玻色子信號事件最準確的工具。 意義 本研究為 LHC 上希格斯玻色子性質的精確測量提供了重要的理論依據,有助於更深入地理解希格斯機制和尋找超出標準模型的新物理現象。 局限性和未來研究方向 未來工作將考慮包含次領頭夸克質量效應,例如來自底夸克和粲夸克圈的效應。 可以採用類似的方法來處理更具挑戰性的輕夸克計算。
統計資料
與無限重頂夸克近似 (HTL) 相比,完整考慮頂夸克質量效應後,總截面增加了約 6.2%。 在橫向動量約為 500 GeV 時,頂夸克質量效應會使 HTL 近似下的截面減半。 先前採用的頂夸克質量效應近似方法與完整結果的差異在橫向動量約為 500 GeV 時小於 5%,而在 NNLO 可觀測量(如總截面和希格斯玻色子速度分佈)上僅有千分之幾的差異。

從以下內容提煉的關鍵洞見

by Marco Nigget... arxiv.org 10-22-2024

https://arxiv.org/pdf/2407.01354.pdf
Higgs-boson production in the full theory at NNLO+PS

深入探究

除了膠子融合,還有哪些產生希格斯玻色子的機制,以及這些機制中頂夸克質量效應的影響如何?

除了膠子融合 (gluon fusion) 外,希格斯玻色子 (Higgs boson) 還可以通過以下機制產生: 向量玻色子融合 (vector boson fusion, VBF): 兩個夸克通過交換 W 或 Z 玻色子產生希格斯玻色子。由於頂夸克質量很大,其參與的機率較低,因此頂夸克質量效應在 VBF 中的影響相對較小。 伴隨產生 (associated production): 希格斯玻色子與一個 W 或 Z 玻色子或一對頂夸克同時產生。在與頂夸克伴隨產生的過程中,頂夸克質量效應非常重要,因為它直接影響了產生截面和運動學分佈。 ttH 產生 (top quark associated production): 希格斯玻色子與一對頂夸克同時產生。這是研究頂夸克與希格斯玻色子耦合的重要過程,頂夸克質量效應在這裡至關重要。 總體而言,頂夸克質量效應在涉及頂夸克的希格斯玻色子產生機制中扮演著重要角色,而在其他機制中影響較小。

如果實驗測量結果與完整考慮頂夸克質量效應後的理論預測存在顯著差異,將意味著什麼?

如果實驗測量結果與完整考慮頂夸克質量效應後的理論預測存在顯著差異,可能意味著以下幾種情況: 標準模型 (Standard Model, SM) 存在不足: 現有的 SM 可能需要進一步修正或擴展,例如引入新的粒子或交互作用,才能更精確地描述希格斯玻色子的性質和產生機制。 存在超出標準模型的新物理 (new physics): 差異可能暗示著存在著尚未被發現的新粒子或交互作用,例如超對稱粒子、暗物質粒子等,這些粒子可能通過量子效應影響希格斯玻色子的產生。 理論計算存在誤差: 現有的理論計算方法可能存在誤差,例如高階量子修正、非微擾效應等,需要發展更精確的計算方法來提高預測精度。 為了區分這些可能性,需要進行更精確的實驗測量和理論計算,並對不同產生機制進行更詳細的研究。

如何利用高能物理實驗結果來檢驗粒子物理標準模型,並探索新的物理規律?

高能物理實驗通過讓粒子在極高的能量下碰撞,產生新的粒子並研究其性質,從而檢驗標準模型和探索新的物理規律。以下是一些具體方法: 測量粒子的質量、壽命、衰變模式等基本性質: 將測量結果與標準模型的預測進行比較,可以檢驗標準模型的正確性。例如,希格斯玻色子的發現及其質量的測量,為標準模型提供了強有力的支持。 研究粒子之間的交互作用: 通過測量不同類型粒子碰撞的產生截面、角分佈等信息,可以研究粒子之間的交互作用強度和形式,並與標準模型的預測進行比較。 尋找標準模型預測之外的新粒子: 通過分析實驗數據,尋找與標準模型預測不符的信號,例如新的共振峰、超出預期的事件率等,可能暗示著新粒子的存在。 研究宇宙早期演化: 高能物理實驗可以模擬宇宙早期的高溫高密環境,研究宇宙的演化過程,例如夸克-膠子等離子體的形成和演變。 通過這些研究,高能物理實驗可以不斷檢驗和完善標準模型,並為探索新的物理規律提供重要線索。
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