Higgs Boson plus Quark Pair Production at High Energies as di-Higgs Background

Resumo Técnico: Produção de Bóson de Higgs mais Par de Quarks em Altas Energias como Background de Di-Higgs

Definição do Problema
A determinação precisa dos acoplamentos do próprio Higgs é um objetivo central do programa de física do LHC, exigindo a modelagem precisa tanto dos processos de sinal quanto de background. Um desafio significativo surge nas buscas de di-Higgs ($HH$) via Fusão de Bósons Vetoriais (VBF), onde o background dominante provém da produção de Higgs único via fusão de glúons (ggF) associada a um par de quarks bottom ($b\bar{b}$) e jatos adicionais duros. Em topologias do tipo VBF — caracterizadas por massas invariantes de dijetes elevadas e grandes separações de rapidez — sabe-se que cálculos de QCD perturbativa de ordem fixa podem potencialmente superestimar o background de ggF. Isso se deve à presença de grandes logaritmos de alta energia da forma $(\alpha_s \log(s_{ij}/p_\perp^2))^N$, que não são totalmente capturados por expansões de ordem fixa padrão. Além disso, embora a ressumação de High Energy Jets (HEJ) tenha sido aplicada a processos de Higgs mais jatos, o impacto específico dos efeitos de ressumação de pares de quarks no contexto da produção de $H + b\bar{b} + \ge 2j$ como um background de di-Higgs VBF não havia sido investigado anteriormente.

Metodologia
Os autores empregam o framework High Energy Jets (HEJ) para realizar uma ressumação de logaritmos de alta energia de todas as ordens. O estudo foca em dois aspectos principais:

1. Formalismo Teórico: O artigo estende o framework HEJ para incluir correções de logaritmo próximo ao líder (NLL) decorrentes de emissões de pares quark-antiquark ($q\bar{q}$). Isso envolve uma classificação detalhada de configurações partônicas em Cinemática de Múltiplos Regge (MRK) e Cinemática de Quase-Múltiplos Regge (QMRK). Os autores derivam os elementos de matriz necessários para processos envolvendo um bóson de Higgs e um par $q\bar{q}$, distinguindo entre emissões extremas (borda) e centrais. Estas novas amplitudes são construídas usando blocos de construção fatorizados (funções de Born, vértices de Lipatov e propagadores Reggeizados) que preservam a dependência total de momento, invariância de calibre e simetria de cruzamento.
2. Análise Fenomenológica:
   • Estudo de Background de VBF: Os autores simulam $pp \to H(\to \gamma\gamma) + b\bar{b} + \ge 2j$ a $\sqrt{s} = 13$ TeV, mimetizando uma busca do CMS para produção de di-Higgs não ressonante. As previsões são geradas usando HEJ (incluindo a nova ressumação de $q\bar{q}$) e comparadas com cálculos de ordem fixa Leading Order (LO). A análise aplica cortes basais consistentes com dados experimentais, incluindo seleção de difotão e de $b$-jet.
   • Estudo do Impacto do Par de Quarks: Os autores atualizam as previsões existentes de HEJ para a produção inclusiva de Higgs-mais-jatos a $\sqrt{s} = 8$ TeV e 13 TeV incorporando a nova ressumação de $q\bar{q}$. Estes resultados são comparados com cálculos de Next-to-Leading Order (NLO) de ordem fixa e medições experimentais do ATLAS e CMS. Para melhorar a normalização, as distribuições HEJ são reponderadas pela razão entre as seções de choque de NLO e as de HEJ inclusivas.

Principais Contribuições

• Primeiro Estudo Dedicado: Este trabalho apresenta a primeira análise dedicada da produção de Higgs único por fusão de glúons com um par de quarks bottom e dois jetes duros adicionais como um background para a produção de di-Higgs VBF, especificamente dentro do framework HEJ.
• Extensão do Formalismo HEJ: O artigo introduz a primeira implementação completa de produção de $H + q\bar{q}$ dentro de HEJ, derivando os elementos de matriz necessários para emissões de pares de quarks extremas e centrais. Isso estende a capacidade do framework de lidar com correções NLL de ressumação de pares de quarks.
• Quantificação de Efeitos de Ressumação: O estudo quantifica o impacto da ressumação de alta energia no background de ggF em regiões do tipo VBF, demonstrando que estas correções são essenciais para uma estimativa confiável de background.

Resultos

• Supressão de Background de VBF: Para observáveis que probe a cinemática do tipo VBF (grande massa invariante de dijetes $m_{jj}$ e grande separação de rapidez $\Delta\eta_{jj}$), a inclusão de ressumação de alta energia leva a uma redução significativa na seção de choque prevista em comparação com cálculos de ordem fixa LO. Especificamente, a previsão central para a distribuição de massa invariante de dijetes de VBF é reduzida por um fator de até dois. Isso sugere que cálculos de ordem fixa superestimam a contaminação do background de ggF nestas regiões.
• Estabilidade em Outras Regiões: Para observáveis não diretamente sensíveis ao limite de alta energia (por exemplo, momento transversal do sistema $b\bar{b}$), as previsões HEJ permanecem próximas aos resultados LO, demonstrando a estabilidade perturbativa do framework.
• Impacto da Ressumação de Pares de Quarks: A inclusão do novo componente de ressumação $q\bar{q}$ resulta em correções moderadas (tipicamente alguns por cento, $\mathcal{O}(1-10\%)$) para observáveis inclusivos de Higgs-mais-jatos a 8 e 13 TeV. Estas correções geralmente residem dentro das bandas de incerteza de escala das previsões HEJ anteriores. No entanto, o novo componente reduz significativamente a fração da seção de choque que é descrita apenas em ordem fixa, estendendo efetivamente o alcance da descrição de todas as ordens para uma maior parte do espaço de fase.
• Configurações Sub-dominantes: A análise identifica que configurações onde o bóson de Higgs é emitido centralmente entre os dois quarks bottom constituem uma fração não negligenciável da seção de choque. Embora formalmente sub-dominantes (NNLL) no limite MRK, estas configurações são numericamente importantes devido aos cortes experimentais que exigem produção central.

Significância
O artigo afirma que as correções logarítmicas de alta energia constituem um componente relevante da descrição perturbativa da produção de Higgs por fusão de glúons em topologias do tipo VBF. Os resultados indicam que os cortes de seleção de VBF são mais eficazes na supressão do background de ggF do que previsto por cálculos de ordem fixa. Consequentemente, incorporar a ressumação de alta energia de todas as ordens é crucial para a interpretação confiável de buscas de di-Higgs VBF, que são canais chave para sondar auto-acoplamentos de Higgs e acoplamentos eletrofracos. O trabalho valida ainda o framework HEJ como uma ferramenta robusta e sistematicamente aprimorável para descrever a produção de Higgs no limite de alta energia da QCD, com a nova ressumação de pares de quarks fornecendo um refinamento controlado, embora modesto, às previsões fenomenológicas existentes.