[論文レビュー] Charge asymmetries of lepton transverse momenta in Drell-Yan processes at the LHC

M. W. Krasny, W. Płaczek|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、LHCにおけるDrell-Yan過程におけるWINHAC行列要素生成機とPYTHIA 6.4の部分素粒子シャワーのインターフェースに、深刻な欠陥を特定している。LO行列要素における有効クォーク/反クォークの横運動量の誤った割り当てが、レプトンの横運動量（$p_T^l$）の電荷非対称性を著しく歪めている。著者らは、クォーク/反クォークの横運動量を入れ替える、または$W$ボソン静止系におけるレプトン運動量の回転を飛ばす2つのマッチング手法を提案し、NLO QCD予測（例：MC@NLO）との一致を回復させ、精度の高い標準模型測定に向けた$p_T^l$非対称性分布の正確性を著しく向上させた。

ABSTRACT

Charged lepton transverse momenta in the Drell-Yan processes play an important role at the LHC in precision measurements of the Standard Model parameters, such as the W-boson mass and width, their charge asymmetries and sin^2(theta_W). Therefore, their distributions should be described as accurate as possible by the Monte Carlo event generators. In this paper we discuss the problem of matching the hard-process kinematics of the Monte Carlo generator WINHAC with the parton-shower kinematics of the PYTHIA 6.4 generator while interfacing these two programs. We show that improper assignment of the quark and antiquark effective momenta in the LO matrix element computations may affect considerably the predicted lepton transverse momenta and even completely reverse their charge asymmetries at the LHC. We propose two matching schemes in which the NLO QCD distributions of the leptonic kinematical variables can be well reproduced by the LO WINHAC generator.

研究の動機と目的

• LHCにおけるDrell-Yan過程において、WINHACのLO行列要素とPYTHIA 6.4の部分素粒子シャワーとの間の不適切な運動量マッチングに起因するレプトン横運動量（$p_T^l$）電荷非対称性の不正確さを是正すること。
• LO行列要素計算における有効クォークおよび反クォークの横運動量の誤った割り当てが引き起こす$p_T^l$分布およびその電荷非対称性のバイアスを解消すること。
• NLO QCD予測の$p_T^l$および電荷非対称性分布を再現するマッチング手法を開発・実装し、精度の高い標準模型測定に必要な信頼性のある入力データを提供すること。
• 行列要素と部分素粒子シャワー段階の間でスピン相関を正しく保存することで、Drell-Yan過程における$W$ボソンの偏光効果のシミュレーションを改善すること。

提案手法

• 著者らは、WINHACのLO行列要素とPYTHIA 6.4の部分素粒子シャワーとの間の運動量不整合を分析し、有効クォークおよび反クォークの横運動量の割り当てに焦点を当てる。
• イベントごとに有効オンシェルクォークおよび反クォークの横運動量を入れ替えるマッチング手法を提案し、$p_T^l$非対称性バイアスを是正する。
• また、$W$ボソン静止系における出力レプトン運動量の回転を飛ばす第二の手法も提案し、初期状態の部分素粒子シャワーのヘリシティ構成を保存する。
• これらの手法は、NLO QCD予測（MC@NLOおよびMCFMからの予測）と整合するように、WINHAC生成機の新バージョンに実装された。
• 新手法の性能は、全相空間および制限された相空間の両方において、$p_T^l$および擬似速さ（$\eta_l$）の電荷非対称性分布をMC@NLO結果と比較することで検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なPYTHIA 6.4の部分素粒子シャワーインターフェースが、なぜLHCにおけるDrell-Yan過程で誤ったレプトン横運動量電荷非対称性を生じるのか？
• RQ2 LO行列要素計算における有効クォークおよび反クォークの横運動量の誤った割り当てが、$p_T^l$分布およびその電荷非対称性に与える影響は何か？
• RQ3 例えばクォーク/反クォークの横運動量を入れ替えたり、レプトン運動量の回転を飛ばしたりするような、イベント生成インターフェースへの簡単な修正が、NLO QCD予測との一致を回復できるか？
• RQ4 $W$ボソンの偏光（スピン密度行列に埋め込まれたもの）は、観察されたバイアスにどのような役割を果たし、行列要素と部分素粒子シャワー段階の間で正しく保存されるか？

主な発見

• WINHACとPYTHIA 6.4の元のインターフェースは、PYTHIAのデフォルトの有効クォーク横運動量を使用しているが、これによりNLO QCD予測と比べて著しくバイアスが強く、場合によっては逆転する$p_T^l$電荷非対称性が生じる。
• イベント単位で有効クォークおよび反クォークの横運動量を入れ替えることで、全相空間および制限相空間の両方において、$p_T^l$および$\eta_l$の電荷非対称性がMC@NLO結果と良好に一致する。
• $W$ボソン静止系におけるレプトン運動量の回転を飛ばす手法もMC@NLOとの一致を改善するが、運動量入れ替えに比べてわずかに劣り、初期状態の部分素粒子シャワーのヘリシティを保存する対応となる。
• WINHACに実装された新マッチング手法は、NLO QCDのレプトン的運動量変数の分布を正確に再現し、$W$ボソン質量および$\sin^2\theta_W$測定における顕著な系統的誤差の原因を是正した。
• スピン1の中間粒子に対して、行列要素と部分素粒子シャワーの運動量マッチングを適切に行うことが、偏光効果の正確なシミュレーションおよびLHCにおける高精度測定に不可欠であることが示された。