[論文レビュー] Associated top-pair production with a heavy boson production through NLO+NNLL accuracy at the LHC

Anna Kulesza, Leszek Motyka+3 more|arXiv (Cornell University)|May 19, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける重いボソン（H、W、Z）と関連するトップクォーク対生成の次々に次流の対数（NNLL）しきい値の再結合計算を、直接QCDにおけるメリン空間アプローチを用いて提示する。結果は理論的安定性が著しく向上し、特に$t\bar{t}Z$および$t\bar{t}H$において実験データとの一致が改善されており、スケール不確実性は最大40％まで低減されている。また、NNLL補正はNLO予測を10–24％増加させている。

ABSTRACT

In this talk we present results of our recent calculations of cross sections and distributions for the associate production of top-antitop quark pairs with a heavy boson (Higgs, W, Z) at the LHC, obtained using threshold resummation in direct QCD, i.e. in the Mellin-space approach.

研究の動機と目的

• NLOを超える高次のQCD補正を含めることで、LHCにおけるトップクォーク対と重いボソンの生成に関する理論的予測を改善すること。
• 特にしきい値領域において顕著なスケール依存性に起因するNLO計算の大きな理論的不確実性に対処すること。
• NNLL精度でのソフトグルーオン再結合が全断面積および微分断面積に与える影響を評価すること。
• メリン空間形式を用いてNLO結果とNNLLしきい値再結合を一致させ、$t\bar{t}H$、$t\bar{t}W$、$t\bar{t}Z$過程に対して処理すること。
• 最近の実験的測定、特にCMS共同研究の結果と整合性があるか理論的予測を評価すること。

提案手法

• しきい値領域（$\hat{\rho} \to 1$）における大規模対数補正 $\alpha_s^n \ln^m(1-\hat{\rho})$ を、$\hat{\rho} = Q^2 / \hat{s}$ および $Q^2 = (p_t + p_{\bar{t}} + p_B)^2$ の形で、メリン空間再結合形式を用いて再結合する。
• ハード関数、ソフト関数、ジェット関数を含むNNLL再結合部分断面積の基本式を用いる：$\tilde{\sigma}^{\text{NNLL}}_{ij \to t\bar{t}B}(N,Q^2) = \mathrm{Tr}\left[ \mathbf{H}_R \mathbf{\bar{U}}_R \mathbf{\tilde{S}}_R \mathbf{U}_R \right] \Delta^i \Delta^j $、ここで$N$-モーメントは$\hat{\rho}$に関するものとする。
• NNLLでソフト異常次元行列 $\mathbf{\Gamma}^{(2)}_R$ およびハード関数 $\mathbf{H}^{(1)}_R$ を摂動的に扱い、$\mathbf{H}^{(1)}_R$ はPowHelおよびMadGraph5_aMC@NLOを用いてNLO計算から数値的に抽出する。
• MadGraph5_aMC@NLOで計算された固定オーダーNLO結果と、PDF4LHC15_30のパートン分布関数を用いて、NNLL再結合断面積を一致させる。
• 実験データとの整合性を保つために、Ref. [15] からのNLOレベルの電弱補正をNLOおよびNLO+NNLL両結果に追加する。
• 理論的不確実性を推定するために7点スケール変動法を適用し、$\mu_F$および$\mu_R$ を中央スケール$\mu_0$ の0.5倍から2倍の範囲で変化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLLしきい値再結合補正は、13 TeVにおける$t\bar{t}H$、$t\bar{t}W$、$t\bar{t}Z$生成の全断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ2 NLOに比べ、NNLL再結合は$t\bar{t}B$断面積予測におけるスケール不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 NNLL補正は、$t\bar{t}Z$生成における$ p_T(Z) $分布の理論的予測と実験的測定との一致をどの程度改善するか？
• RQ4 $t\bar{t}H$、$t\bar{t}Z$、$t\bar{t}W$に対して、異なるスケール選択におけるNNLL補正の相対的大きさはどの程度か？
• RQ5 メリン空間アプローチによるソフト・コラinear効果の取り入れは、微分断面積の安定性および正確性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• NLO+NNLL予測はスケール変動に対して顕著な安定性を示し、$\mu_0 = Q$ のとき、$t\bar{t}H/Z$生成ではスケール不確実性が最大40％まで低減されている。
• スケール選択に応じて、$t\bar{t}H$ではNLO断面積が1％から19％、$t\bar{t}Z$では4％から24％までNNLL補正で増加しており、$gg$-チャネルの支配的寄与がこの効果を強化している。
• $t\bar{t}Z$生成では、NLOでの理論的不確実性が実験精度を下回っているが、NLO+NNLL予測は最新の実験精度と一致している。
• $t\bar{t}Z$生成における$ p_T(Z) $分布は、NNLL精度で約10％増加し、$\mu_0 = H_T/2$ のとき理論とCMS測定が完全に一致するようになっている。
• 微分$ p_T(Z) $分布において、NNLL補正を含めることで、スケール変動によるNLO予測のばらつきが著しく減少している。
• 理論的正確性の向上は特に$t\bar{t}H$および$t\bar{t}Z$で顕著であり、ここでは$gg$-初期状態チャネルがLOおよび再結合断面積に顕著な寄与をしている。