Boosted Higgs-strahlung off a $W$ boson at next-to-next-to-next-to-leading order in QCD

Problema
A produção associada de um bóson de Higgs com um bósão fraco carregado ($pp \to W^+H$), conhecida como Higgs-strahlung, é um processo crítico para escrutinar a quebra de simetria eletrofraca e sondar a física além do Modelo Padrão, particularmente no regime impulsionado (boosted), onde o bóson de Higgs possui um grande momento transversal ($p_T^H$). As previsões inclusivas de seção de choque total são conhecidas até a ordem N3LO em QCD perturbativa, mas as previsões diferenciais foram historicamente limitadas à ordem NNLO. A crescente precisão experimental antecipada para o HL-LHC exige previsões teóricas em ordens superiores, especialmente dentro de regiões fiduciais específicas do espaço de fase. Estudos anteriores indicaram que a série perturbativa no regime boosted exibe uma convergência pobre até NNLO, tornando as previsões N3LO essenciais para uma fenomenologia confiável.

Metodologia
Os autores apresentam o primeiro cálculo totalmente diferencial do processo $pp \to W^+ (\to e^+ \nu_e)H$ em N3LO em QCD. O cálculo é realizado dentro da estrutura de fatiamento $q_T$ ($q_T$-slicing framework), que decompõe o espaço de fase de radiação usando um corte de fatiamento ($q_T^{\text{cut}}$) no momento transversal do sistema de cor singlete ($WH$).

• Abaixo do corte ($q_T < q_T^{\text{cut}}$): A contribuição singular é computada usando a expansão N3LO da fórmula de ressumação de potência dominante para o espectro de momento transversal, implementada via estrutura RadISH.
• Acima do corte ($q_T > q_T^{\text{cut}}$): A contribuição regular é avaliada usando um cálculo NNLO para o processo $pp \to W^+H + 1$ jato, computado com a estrutura NNLOJET usando o método de subtração de antena.
• Contribuições Top-Yukawa: O cálculo inclui contribuições onde o bóson de Higgs se acopla a um laço de quarks top. As correções puramente virtuais são tratadas no limite de quarks top massivos, enquanto a dependência total da massa do top é mantida para contribuições envolvendo emissões reais adicionais. Estas correções, começando em $\mathcal{O}(y_t \alpha_s^2)$, são computadas independentemente e adicionadas à seção de choque.
• Configuração (Setup): O estudo considera colisões próton-próton em $\sqrt{s} = 13,6$ TeV usando o conjunto de densidade de partons NNPDF40 an3lo. Duas configurações cinemáticas são analisadas: uma configuração "boosted" definida por $p_T^H \geq 250$ GeV ou $400$ GeV, e uma configuração "STXS" que adiciona o requisito de $p_T^W \geq 250$ GeV.

Principais Contribuições

1. Primeiro Cálculo Diferencial N3LO: Este trabalho fornece a primeira previsão diferencial completa em N3LO de QCD para Higgs-strahlung a partir de um bóson $W$ no regime boosted.
2. Validação da Metodologia: Os autores validam sua abordagem reproduzindo os resultados conhecidos da seção de choque inclusiva N3LO da literatura, confirmando a ausência de correções de potência linear em seu procedimento de fatiamento e estabelecendo $q_T^{\text{cut}} = 5$ GeV como um valor ideal.
3. Tratamento de Correções de Potência: O estudo aborda sistematicamente as correções de potência linear de $\mathcal{O}(q_T^{\text{cut}}/Q)$ em configurações de corte simétricas, calculando-as explicitamente e adicionando-as à contribuição abaixo do corte, garantindo que a dependência residual permaneça quadrática.
4. Integração Top-Yukawa: A inclusão de contribuições induzidas por Top-Yukawa numericamente relevantes a $\mathcal{O}(y_t \alpha_s^2)$ é integrada na estrutura N3LO.

Resultados

• Convergência Perturbativa: No regime boosted, a série perturbativa até NNLO mostra convergência pobre, com nem os valores NLO nem os NNLO situando-se dentro das bandas de variação de escala das ordens precedentes. A inclusão das correções N3LO restaura a convergência.
• Correções da Seção de Choque: As correções N3LO aumentam a previsão NNLO em aproximadamente $+1,5\%$ a $+2\%$ na configuração boosted. Na configuração STXS, a correção é de cerca de $+1,5\%$.
• Redução de Incerteza: A dependência de escala residual em N3LO é reduzida para abaixo do nível percentual (especificamente $0,5\% - 0,8\%$ dependendo da configuração), marcando uma melhoria significativa sobre as ordens anteriores.
• Distribuições Diferenciais: O espectro de $p_T^H$ mostra que as correções N3LO geralmente aumentam o resultado NNLO em $1,5\% - 2\%$ em toda a faixa boosted. Na configuração STXS, as correções induzem distorções de forma, com uma pequena correção negativa perto de $p_T^H \approx 250$ GeV e uma correção positiva maior ($2-3\%$) na cauda de alto $p_T$.
• Incerteza de Escala vs. Fatiamento: A incerteza associada ao procedimento de fatiamento $q_T$ permanece bem abaixo da banda de variação de escala em todo o intervalo cinemático exibido, demonstrando excelente controle numérico.

Significância
O artigo afirma que este cálculo constitui um marco para o programa de precisão do Higgs. Ao alcançar precisão de QCD ao nível percentual e reduzir significativamente a dependência residual de escalas perturbativas, os resultados fornecem previsões de ponta necessárias para as atuais e futuras análises de Higgs boosted no LHC e HL-LHC. Os autores enfatizam que as correções N3LO no regime boosted não podem ser aproximadas escalando resultados inclusivos, destacando a necessidade de computações totalmente diferenciais. Estas previsões fortalecem a viabilidade do Higgs-strahlung como uma sonda de precisão da dinâmica do Modelo Padrão e de nova física potencial, aproximando a precisão teórica das capacidades experimentais esperadas para o HL-LHC. Os autores observam que investigações adicionais sobre efeitos eletrofracos e mistos de QCD+EW são necessárias para atender plenamente ao alvo de precisão percentual da fenomenologia do Higgs.