[論文レビュー] Diphoton production at hadron colliders: transverse-momentum resummation at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy

Leandro Cieri, Francesco Coradeschi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ハドロン衝突における二光子生成の横方向運動量（$q_T$）の次々次の対数的（NNLL）再結合を提示する。この計算は、小 $q_T$ における再結合された QCD 紛糾を、大 $q_T$ における固定順序 NLO 結果と組み合わせており、既知の NNLO 総断面積と完全に整合しており、特に固定順序計算が大きな対数的増幅により失敗する小 $q_T$ 地域において、LHC データとの一致を著しく改善している。

ABSTRACT

We consider the transverse-momentum (qT) distribution of a diphoton pair produced in hadron collisions. At small values of qT , we resum the logarithmically-enhanced perturbative QCD contributions up to next-to-next-to-leading logarithmic accuracy. At intermediate and large values of qT, we consistently combine resummation with the known next-to-leading order perturbative result. All perturbative terms up to order α_S^2 are included in our computation which, after integration over qT, reproduces the known next-to-next-to-leading order result for the diphoton pair production total cross section. We present a comparison with LHC data and an estimate of the perturbative accuracy of the theoretical calculation by performing the corresponding variation of scales. In general we observe that the effect of the resummation is not only to recover the predictivity of the calculation at small transverse momentum, but also to improve substantially the agreement with the experimental data.

研究の動機と目的

• 二光子生成の小横方向運動量（$q_T$）領域における固定順序摂動的 QCD の破綻、特に大きな対数的補正によるものに対処すること。
• ハドロン衝突における二光子対の $q_T$ 分布に対して、次々次の対数的（NNLL）精度までの一貫した再結合形式を構築すること。
• 小 $q_T$ における再結合結果と、大 $q_T$ における既知の次-leading order（NLO）固定順序結果をマッチングし、NNLO 総断面積と整合性を保つこと。
• 理論的に堅牢な予測を提供し、特に固定順序結果が物理的でない特異性を示す $q_T \to 0$ 領域での LHC データとの一致を改善すること。
• 個々の光子の $q_T$ スペクトルや、方位角角分布 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ などの排他的な観測量に対する正確な予測を可能にすること。

提案手法

• Ref. [37, 39, 40] の横方向運動量再結合形式を採用し、ハドロン衝突における高質量最終状態に有効である。
• 小 $q_T$ 領域において、すべての対数的に増幅する QCD 紛糾を、次々次の対数的（NNLL）精度まで再結合する。
• 一貫したマッチング手順により、中間的および大 $q_T$ 領域における再結合結果と固定順序 NLO 計算を組み合わせる。
• $q_T$ にわたる積分後に既知の NNLO 総断面積を正確に再現することにより、全計算の整合性を検証する。
• 二光子の位相空間の 3 パラメータ化を用いて、背中合わせの配置に近い領域における $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 分布の物理的でない発散を回避する。
• スケール変動 $\mu_R$, $\mu_F$, および再結合スケールの不確かさに加え、位相空間パラメータ化の不確かさを含め、理論的不確かさを推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン衝突における二光子生成の小 $q_T$ 領域で、どのようにして対数的に増幅する QCD 紛糾を NNLL 精度まで体系的に再結合できるか？
• RQ2 NNLL 再結合は、固定順序計算が失敗する $q_T \to 0$ 領域における二光子対の $q_T$ スペクトルにどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 NNLL+NLO 結果と LHC データの比較において、固定順序 NLO 結果よりも一致が改善されるか？
• RQ4 再結合は、背中合わせの配置（$\Delta\Phi_{\gamma\gamma} \to \pi$）付近の $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 分布をどの程度安定化させるか？
• RQ5 再結合とマッチングを含む全計算は、二光子生成の既知の NNLO 総断面積を正確に再現できるか？

主な発見

• NNLL+NLO 計算により、$q_T \sim 25$ GeV 付近で固定順序 NLO 結果に見られる物理的でない段階的挙動や対数的特異性が完全に除去された。
• 再結合された分布は、背中合わせの閾値付近に滑らかでショルダー状の構造を示すが、固定順序 NLO 結果は発散的挙動を示す。
• 全 NNLL+NLO 予測は、全 $q_T$ 範囲で ATLAS データと著しく良好な一致を示し、特に小 $q_T$ 領域で顕著に改善されている。
• $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 分布は再結合によって安定化され、全結果は固定順序 NLO 結果と比較して $\Delta\Phi_{\gamma\gamma} \sim \pi$ 付近でデータとより良好に一致している。
• スケール変動による理論的不確かさは良好に制御されており、実験データと整合的であるため、計算の堅牢性が裏付けられている。
• 全計算は $q_T$ にわたる積分により、既知の NNLO 総断面積を正確に再現しており、再結合とマッチング手順の整合性が確認された。