[論文レビュー] Further exploration of top pair hadroproduction at NNLO

M. Czakon, Paul Fiedler+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、量子色力学における次々次々次の順序（NNLO）でのトップクォーク対生成の詳細な体系的分析を提示する。主な焦点はスケール依存性、摂動的収束性、およびソフトグルーオンの再結合効果である。NNLO計算が理論的不確かさを顕著に低減することを示しており、さらにNNLOとソフトグルーオン再結合を組み合わせることで、LHCエネルギー全域にわたりスケール不変な断面積予測が得られることを示している。これは、標準模型の検証および標準模型を越える物理学の探索における精度向上に寄与する。

ABSTRACT

Top quark pair production is one of the cornerstones of the physics program at hadron colliders. In this contribution, we further explore the phenomenological implications of the recent NNLO calculation of the total inclusive cross-section. We provide a comparison of the scale dependence of the top pair hadroproduction cross section at different perturbative orders and study its perturbative convergence (with and without soft-gluon resummation). We also sketch how the NNLO top quark cross-section could be used to improve searches of physics beyond the Standard Model.

研究の動機と目的

• NNLOにおけるトップクォーク対生成断面積のスケール依存性と摂動的収束性を分析すること。
• さまざまなLHCエネルギーにおけるソフトグルーオン再結合の理論的不確かさへの影響を評価すること。
• 高精度なNNLOトップクォーク断面積が、標準模型を越える物理学（BSM）の探索をどのように向上させ得るかを検討すること。
• これまで未発表であった、$gg$-初期化チャンネルにおける共線的因子化寄与項およびスケール依存項の明示的表現を提供すること。
• NNLO断面積が部分素粒子分布関数（PDF）の制約にどのように有用であるか、およびストップクォークのようなBSM共鳴状態への感度向上に寄与するかを示すこと。

提案手法

• 本研究では、全NNLO計算による全入射的トップクォーク対断面積を用い、$\overline{\text{MS}}$-減算された部分素粒子断面積から導出された、$gg$-初期化チャンネルのスケール依存項 $\sigma^{(2,1)}_{gg}$ および $\sigma^{(2,2)}_{gg}$ の明示的解析的表現を含む。
• 摂動的収束性は、$\overline{\text{MS}}$結合定数（5つの活性フレーバー）を用いて、NLO、NNLO、およびソフトグルーオン再結合（NLL/NNLL）における断面積のスケール依存性を比較することで評価する。
• 部分素粒子フラックスおよびランクネス関数は、$\beta \in (0,1)$ の区間内で80個の$\beta$-ポイントにわたって数値的に計算され、分割関数 $P^{(0)}_{gg}$、$P^{(1)}_{gg}$、および $P^{(0)}_{qg}$ を含む畳み込みが行われる。
• NNLO+NNLLトップクォーク断面積の計算にはTop++2.0プログラム、ストップクォーク生成のNLO計算にはProspino2.1を用い、信号とバックグラウンドの率の相互比較を可能にした。
• 8 TeVおよび14 TeVにおける断面積の二重比を計算し、理論的精度と実験的可視性を評価した。スケールおよびPDF効果のキャンセルにより不確かさを最小限に抑えた。
• ストップとトップ対生成断面積の比とそのエネルギー依存性を評価し、信号対バックグラウンド比が小さいにもかかわらず、BSMダイナミクスへの感度を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLO補正の導入が、トップクォーク対生成断面積のスケール依存性と摂動的収束性にどのように影響するか。
• RQ2 ソフトグルーオン再結合が、さまざまなLHC中心系エネルギーにおいてスケール不確かさをどの程度低減するか。
• RQ3 高精度なNNLOトップクォーク断面積が、大$ x $領域のグルーオンPDFの決定を改善し、結果としてBSM探索の精度向上に寄与するか。
• RQ4 8 TeVおよび14 TeVにおけるトップ＋ストップ対とトップのみの断面積の二重比が、BSM信号検出に理論的・実験的に実現可能か。
• RQ5 ストップ質量に応じてストップ-トップ断面積比はどのように変化するか。また、トップパートナ探索の文脈において、BSMダイナミクスへの感度はどの程度か。

主な発見

• NNLO補正の導入により、NLOに比べてトップクォーク対生成断面積のスケール依存性が2倍以上小さくなり、理論的精度が顕著に向上した。
• NNLLでのソフトグルーオン再結合により、スケール不確かさがさらに抑制され、生成断面積のスケール依存性はほとんど消失し、生成断面積の閾値近辺を除き、加速器エネルギーに依存しなくなった。
• 二重比 $R_{14/8}({\rm top+stop})/R_{14/8}({\rm top})$ は最大で数千分の数パーセントにとどまり、信号が小さいため実験的に検出可能でないことが判明した。
• ストップ質量がトップクォーク質量に近い場合、ストップ対トップ断面積比は約15％であるが、ストップ質量が増加するにつれて急激に減少した。
• グローバルPDFフィットにNNLOトップクォークデータを用いることで、大$ x $領域のグルーオンPDFの決定が改善され、その結果、トップクォークに崩壊する重い共鳴状態のBSM予測精度が向上した。
• 同じ部分素粒子過程から始まるにもかかわらず、トップクォークとストップクォークの質量スケーリングの違いが、BSMダイナミクスへの感度をわずかにでも提供した。