[論文レビュー] Angular coefficients in W+j production at the LHC with high precision

Mathieu Pellen, René Poncelet+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、有限な横運動量を有するW+j生成における、初めての次々次の項(QCD)および次々次の項(電弱)計算を提示する。結果として理論的不確かさが顕著に低減され、特定の位相空間領域では補正が最大10%に達する。これは将来のWボソン質量測定に不可欠な高精度の理論的入力となる。

ABSTRACT

The extraction of the W-boson mass, a fundamental parameter of the Standard Model, from hadron-hadron collision requires precise theory predictions. In this regard, angular coefficients are crucial to model the dynamics of W-boson production. In this work, we provide, for the first time, angular coefficients at NNLO QCD + NLO EW accuracy for finite transverse momentum W-boson at the LHC. The corrections can reach up to 10% in certain regions of phase space. They are accompanied by a significant reduction of the scale uncertainty. This work should, besides providing reference values for theory-data comparison, provide state-of-the-art theory input for W-boson mass measurements.

研究の動機と目的

• LHCにおけるW+j生成の角係数に対する高精度な理論的予測を提供し、Wボソン質量測定における主要な理論的不確かさ要因に対処する。
• Wボソンの有限な横運動量を伴う生成に対して直接計算することで、Zボソンへの外挿依存を排除する。
• 高次のQCDおよび電弱補正を組み込むことで、モンテカルロ予測におけるスケール不確かさを低減する。
• NLO電弱補正における角係数分解の妥当性を検証し、完全なオフシェル計算と一貫性があることを保証する。
• 特に高光度運転フェーズの物理学を念頭に、将来のLHCにおける高精度実験に先駆けて、最先端の理論的入力を提供する。

提案手法

• pp → W± → ℓ±νℓ + j の過程に対して、Wボソンの有限な横運動量を含めた、NNLO QCDおよびNLO EWの固定オーダー計算を実施する。
• 式(3)で定義される角係数分解を用いて、Wボソン崩壊の角度分布を記述し、A2、A4などの係数を高精度の摂動的順序で計算する。
• 再重みティング技術を用いて、角係数形式の妥当性を検証する。具体的には、再重みティングされたオンシェルWボソンイベントと、完全なオフシェルまたは幅が狭い近似(NWA)結果を比較する。
• 再重みティングにおけるボーリング効果に起因する差を最小限に抑えるために、角係数の細かいビン分割を実施し、残存するボーリング効果を補正するための補正係数を適用する。
• LO、NLO QCD、NLO EWレベルで、元のイベントと再重みティングされたイベントの微分分布（例：レプトンの横運動量）を比較し、方法の妥当性を検証する。
• 式(2)で定義される摂動的展開に含まれるすべての関連寄与を含めることで、赤外安全性および観測量の整合性を確保する。主に主要な項に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLO QCDおよびNLO EW補正は、W+j生成における角係数に、低次の予測と比較してどの程度の変化をもたらすか？
• RQ2 Wボソンがオンシェルでない場合、特に最終状態の光子放射がある状況において、角係数分解が電弱補正を正確に記述できるか？
• RQ3 NLO QCDおよびNLO EWにおいて、ZボソンとWボソンの角係数にはどの程度の差があるか？また、ZからWへの直接的外挿がなぜ問題となるか？
• RQ4 NLO EW補正における角係数形式の残存不確かさはどの程度で、ボーリングと補正戦略によってどのように低減できるか？
• RQ5 計算された角係数は、LHCにおけるWボソン質量測定におけるスケール不確かさをどの程度低減するか？

主な発見

• W+j生成におけるNNLO QCD + NLO EW補正は、特定の位相空間領域で角係数に最大10%の補正をもたらし、理論的予測に顕著な影響を与えることが示された。
• 高次の補正を組み込むことで、スケール不確かさが顕著に低減され、Wボソン質量測定の理論的テンプレートの信頼性が向上した。
• 角係数を用いた再重みティング手順は、完全なオフシェルWボソン分布を数パーセント以内の一致で再現でき、NLO EW補正における形式の妥当性が裏付けられた。
• 再重みティングにおける残存差異はボーリング効果に起因し、LO比較に基づく補正係数を適用することで、これらのフラクチュエーションを1%以下に低減できた。
• この手法はNLO QCDおよびNLO EWにおいても安定しており、補正済みの結果は完全な計算と改善された一致を示し、特に横運動量が小さい領域で顕著であった。
• 本研究は、細かいビン分割と補正係数を用いる限り、NLO EW補正に角係数を実用的に行うことが正当化されることを示した。