[論文レビュー] Isolated photon production in association with a jet pair through next-to-next-to-leading order in QCD

Simon Badger, M. Czakon+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

High-Energy Particle Collisions Research被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、leading-colour近似を用いない正確な五点二ループ虚数振幅を用いて、陽子陽子衝突における分離型光子と二対のジェット生成の、初めての次々次の精度（NNLO）QCD計算を提示する。結果は、低次の計算やパートンシャワアーマッチド予測と比較してATLASデータとの一致が向上しており、スケール不確かさの範囲内で副次的色効果は無視できる大きさであることが判明した。

ABSTRACT

In this work, we provide a comprehensive set of differential cross-section distributions for photon + di-jet production in proton-proton collisions with next-to-next-to-leading order precision in massless QCD. The event selection corresponds to recent measurements by the ATLAS collaboration. We observe an improved description of data in comparison to lower-order calculations in the case of observables that are expected to be well described by perturbation theory. The results also show better agreement with data than parton-shower-matched and multi-jet-merged predictions generated for the ATLAS analysis using the extsc{Sherpa} Monte Carlo. A particular highlight of our study is the use of exact five-point two-loop virtual amplitudes. This is the first calculation of a complete two-to-three hadron-collider process at next-to-next-to-leading order in QCD that does not rely on the leading-colour approximation at two loops. We demonstrate, nevertheless, that the sub-leading-colour effects present in the infrared- and ultraviolet-finite double-virtual contributions are negligible in view of the remaining scale uncertainties.

研究の動機と目的

• 質量ゼロのQCDにおいて、分離型光子＋二対のジェット生成の微分断面積分布をNNLOで計算すること。
• 2→3ハドロン衝突過程の完全な2ループで、leading-colour近似に依存しない高精度な計算を提供すること。
• 二ループの二重虚数振幅における副次的色寄与が物理的観測量に与える影響を評価すること。
• NNLO予測をATLAS実験データと比較し、既存のパートンシャワアーマッチドまたはマージドモンテカルロ結果と照らし合わせること。
• 現象的に重要な高多重度QCD過程において、正確な二ループ五点振幅の使用が妥当であることを検証すること。

提案手法

• 運動量ツイスター変数を用いたユニタリティに基づくアプローチで、正確な二ループ五点振幅を採用すること。
• 運動量ツイスター形式で失われたスピンオービット情報を取り戻すために、ヘリシティ依存のスピンオービット位相因子を導入すること。
• 部分振幅に対するパリティ変換および運動量順列操作を体系的に実行するアルゴリズムを構築すること。
• 物理的断面積の二乗行列要素を計算するために、複素共役およびパリティ操作を適用すること。
• ヘリシティ固有の係数を伴うペンタゴン関数および超越定数の和として、全振幅を構成すること。
• 解析的整合性のチェックと、異なる外部運動量順序に対する明示的順列関係を通じて、手法の妥当性を検証すること。

Figure 1: Representative two-loop Feynman diagrams for the $0\to\bar{q}qgg\gamma$ partonic process, together with the partial amplitudes they contribute to.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二ループ二重虚数振幅における副次的色寄与は、分離型光子＋二対のジェット生成の最終的物理的観測量にどの程度の影響を与えるか？
• RQ2 leading-colour近似に依存せず、ハドロン衝突加速器における2→3過程に対して完全なNNLO QCD計算を達成できるか？
• RQ3 NNLO予測は、ATLASが得た分離型光子＋二対のジェット生成の微分分布に関して、実験データとどの程度一致するか？
• RQ4 正確な二ループ虚数振幅の使用は、摂動QCD予測の理論的不確かさおよび収束性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 ATLAS解析で用いられるパートンシャワアーマッチドおよびマルチジェットマージドモンテカルロ予測と比較して、本結果はどの程度優れているか？

主な発見

• 本計算は、正確な二ループ五点振幅を用いて、陽子陽子衝突における分離型光子＋二対のジェット生成のNNLO精度を達成した。
• 本研究は、2ループでleading-colour近似を用いない2→3ハドロン衝突過程における、初めての完全なNNLO QCD結果を提示した。
• 二重虚数振幅における副次的色効果は、残りのスケール不確かさの範囲内で無視できる大きさであることが判明した。
• NNLO予測は、摂動理論でよく記述できると予想される観測量に関して、ATLASデータとの一致が向上している。
• 本結果は、低次の計算やSherpaベースのパートンシャワアーマッチド／マルチジェットマージド予測を上回り、実験データの記述において優れた性能を示した。
• 運動量ツイスター変数とヘリシティ依存位相因子の組み合わせにより、全振幅の堅牢で効率的な解析的計算が可能になった。

Figure 2: Representative two-loop Feynman diagrams for the $0\to q\bar{q}Q\bar{Q}\gamma$ partonic process, together with the partial amplitudes they contribute to.