大型强子对撞机上双光子产生过程中的高阶QCD效应

Recently based on the two-year experiment data at the CERN LHC, the ATLAS and CMS Collaborations have discovered Higgs boson with about 125 GeV mass. Within various decay channels of 125 GeV Higgs boson, the di-photon signal for Higgs search has been well investigated, and the corresponding di-photon background process predicted by the Standard Model is significant for the analysis of Higgs physics. After the improvement of experiment precision, the high precision theoretical predictions are indispensable in order to analyze Higgs physics at the same accuracy. At high energy colliders, soft gluon radiation effect is the most important for reliable theoretical predictions. Especially, the soft gluon resummation effect can provide the correct prediction of transverse momentum distribution. In this project, we will improve soft gluon resummation effect in the transverse momentum distribution for di-photon production as background of Higgs search by including higher order anomaly dimensions, and investigate the scale uncertainty, non-perturbative physics uncertainty and parton distribution function uncertainty. Moreover, the photon isolation scheme can be further investigated. These investigations will be helpful for the Higgs analysis in the future.

最近ATLAS和CMS工作组通过分析大型强子对撞机近两年的实验数据，在125GeV的质量区域附近发现了Higgs玻色子。在125GeV质量Higgs粒子的衰变道中，双光子衰变的信号备受关注，而标准模型双光子背景过程对于Higgs物理的分析非常重要。随着实验精度的提高，为了在相同的精确度上进行物理分析，高精度的理论预言将必不可少。在高能对撞机上，软胶子的辐射效应对于提供可靠的理论预言非常关键，尤其对于横向动量分布，软胶子重求和效应能够提供正确的横向动量分布的理论预言。在此研究项目中，我们将改进双光子背景过程中横向动量的软胶子重求和效应，通过引入更高阶的反常量纲来提供更高精度的理论预言，并分析理论预言的标度不确定性、非微扰物理不确定性以及部分子分布函数诱导的不确定性等。此外光子的分离方案也有待深入研究。这些研究将有助于未来对Higgs物理的正确分析和深入理解。

本项目的研究首先针对LHC以及未来更高能对撞机上双光子产生过程中的理论不确定性进行了深入研究，得到了部分子分布函数诱导的理论不确定性，我们发现在8TeV和14TeV对撞能量的LHC上双光子产生的横向动量分布中部分子分布函数诱导的理论不确定度大约为6%，而在未来可能建造的更高能强子对撞机上50TeV的质子对撞产生的双光子，其部分子分布函数诱导的横向动量分布的理论不确定性可以达到大约8%。同时我们研究发现在强子对撞机能量提高到100TeV的情况下CSS重求和公式以及相应的非微扰函数形式已经不再适用，准确的理论预言的不确定性需要更深入的研究。此外，我们研究了利用喷注椎体内部能量分布来区分胶子融合和弱矢量玻色子融合两种Higgs产生机制的问题。研究结果表明，通过测量与Higgs伴随产生的喷注内部的能量分布，在14TeV的LHC上，100fb-1的积分亮度可以在5个标准偏差的水平上区分胶子融合机制和弱矢量玻色子融合机制，而且通过测量伴随喷注的内部能量分布与标准模型理论预言的偏差我们可以探寻可能存在的新物理的信号，或者对某些新物理参数空间进行排除。