[論文レビュー] Associated production of a W or Z boson with bottom quarks at the Tevatron and the LHC

F. Febres Cordero, Laura Reina+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LHCおよびTevatronにおけるWおよびZボソンとボトムクォーク対（Wbb̄, Zbb̄）の連関生成について、次-leading-order（NLO）QCD計算を、ボトムクォーク質量効果を完全に含めて行う。非ゼロのボトムクォーク質量が、特にmbに近い領域の運動量分布に顕著な影響を及ぼすことが示され、質量効果と統合された4FNS/5FNSスキームを組み込むことで、理論的不確実性が低減し、Tevatronデータとの一致が向上することを明らかにする。

ABSTRACT

We present total and differential cross sections for W b anti-b and Z b anti-b production at the CERN Large Hadron Collider including Next-to-Leading Order (NLO) QCD corrections and full bottom-quark mass effects. We discuss the scale uncertainty of the total cross sections due to the residual renormalization- and factorization-scale dependence of the truncated perturbative series. We also discuss b-quark mass effects in kinematic distributions by comparing with a calculation that considers massless bottom quarks, as implemented in the Monte Carlo program MCFM. The effects of a non-zero bottom-quark mass (m_b) cannot be neglected in phase-space regions where the relevant kinematic observable, such as the transverse momentum of the bottom quarks or the invariant mass of the bottom-quark pair, are of the order of m_b. Finally, we present the result of a detailed comparison of NLO QCD predictions for W+b-jet production with one or two jets with Tevatron data.

研究の動機と目的

• LHCにおけるWbb̄およびZbb̄生成の全断面積および微分断面積を、NLO QCD補正と完全なボトムクォーク質量効果を含めて計算すること。
• 非ゼロのボトムクォーク質量が、特にmbスケール近辺の運動量分布に与える影響を評価すること。
• 1または2本のジェットを伴うW+b-ジェット生成に対するNLO QCD予測を、Tevatron CDFデータと比較し、以前の不一致を解消すること。
• スケール不確実性と、包含的・排他的断面積におけるqg初期状態過程の寄与を評価すること。
• 質量のあるbクォークと大規模対数の再結合を含む、統合された4FNS/5FNSアプローチを用いて理論的予測を検証すること。

提案手法

• 1ループの仮想補正と1つの追加パートオンを含む実放射の両方を含む、完全なボトムクォーク質量効果を有するNLO QCD計算を、固定フレーバー系（FFS、4FNS）で実施。
• 2ループのαs進化を用いたCTEQ6M PDFセットを用い、R=0.7のkTジェットアルゴリズムを用いてbジェットを再構築。
• 質量のないbクォークを仮定したMCFM結果と比較することで、運動量分布に及ぼす質量効果を分離。
• W+b-ジェット生成の計算において、4FNSと5FNSスキームを統合し、質量のあるbクォークの寄与と大規模対数の再結合を一貫して含める。
• 規格化および因子化スケールの変動によるスケール依存性を評価し、残りの不確実性を定量化。
• Tevatronデータとの比較では、W+1b-ジェットおよびW+2b-ジェット生成の組み合わせ予測を用い、ジェットレベル断面積に一致するように重みを調整。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非ゼロのボトムクォーク質量効果は、LHCにおけるWbb̄およびZbb̄生成の運動量分布の形状にどのように影響を及えるか？
• RQ2 ボトムクォーク質量は、特にmbスケール近辺で全断面積にどのような影響を及えるか？
• RQ3 完全な質量効果を含むNLO QCD予測は、1本または2本のジェットを伴うTevatron CDFデータのW+b-ジェット生成とどのように一致するか？
• RQ4 NLO予測におけるスケール不確実性は、断面積が包含的か排他的かに依存する程度はどの程度か？
• RQ5 統合された4FNS/5FNSアプローチは、W+b-ジェット生成における理論的安定性とデータとの一致をどの程度向上できるか？

主な発見

• 非ゼロのボトムクォーク質量は、特にbクォーク対のインバリアント質量やその横方向運動量がmbに近づく領域で、運動量分布に顕著な影響を及ぼす。
• 全断面積はボトムクォーク質量効果によって減少し、pTbカットが低い領域でより強く抑制されるが、一般的にはNLOにおける残余スケール不確実性より小さい。
• 完全な質量効果と統合された4FNS/5FNSを用いたW+b-ジェット生成のNLO QCD予測は1.22 ± 0.14 pbであり、LOに対して約1.34のK要因を示す。
• 質量効果と4FNS/5FNS寄与の適切な統合を含めることで、以前の理論とCDFデータとの不一致が顕著に低減される。
• qg初期状態過程の寄与は、包含的断面積では排他的断面積よりもスケール依存性に寄与が大きい。これは、後者の場合、ジェット多重度の抑制による。
• mb≠0とmb=0のNLO断面積比は、mbに近い運動量領域で明確なずれを示し、高精度な研究において質量効果の必要性を裏付けている。