[論文レビュー] Jet cross sections at the LHC with NNLOJET

James Currie, A. Gehrmann–De Ridder+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける二ジェットおよび単一ジェットの包括的生成の次々に次流（NNLO）QCD計算において、因子化および再正則化スケールの選択について体系的な研究を提示する。NNLOJETフレームワークを用いて、二ジェット生成では $\mu = m_{jj}$ が摂動的収束性と安定性に基づき最適なスケールであると特定し、単一ジェットの包括的生成では $\mu = 2p_{\mathrm{T}}$ が最適であると判明した。これにより理論的不確かさが顕著に低減され、7 TeVおよび13 TeVのATLASおよびCMSデータとの整合性が向上した。

ABSTRACT

We review the status of NNLO calculations for jet cross sections at the LHC. In particular, we describe how perturbative stability and convergence can be used as criteria to select the most appropriate scales in the theoretical description of di-jet and single jet inclusive production.

研究の動機と目的

• NNLOジェット断面積における中心スケール選択の曖昧さを解消し、これにより従来は大きな摂動的不確かさを引き起こし、PDFフィットへの応用を阻害していた問題を解決すること。
• 二ジェットおよび単一ジェットの包括的生成における、さまざまなスケール選択の摂動的収束性と安定性を評価すること。
• 全運動量領域にわたり安定的で正の値であり、かつ正確な予測をもたらす理論的に妥当なスケール選択を同定すること。
• スケール不確かさの低減を通じて、精度の高い事象論的解析を可能にし、NNLOにおけるグローバルPDFフィットおよびQCDパrameterの決定を促進すること。
• 7 TeVおよび13 TeVにおけるATLASおよびCMSの実験的データと詳細な比較を通じて、スケール選択の妥当性を検証すること。

提案手法

• 赤外特異性を扱うためにアンテナ減算法を用いるNNLOJETフレームワークを用い、部分子レベルのイベントジェネレータとしての役割を果たす。
• 全NNLO補正を二ジェットおよび単一ジェットの包括的生成に対して計算し、すべてのパートンチャンネルを含め、主要色および主要 $N_F$ 項に制限する。
• 摂動的安定性と収束性をテストするため、$\mu = m_{jj}$、$\mu = \langle p_T \rangle$、$\mu = 2p_T$、$\mu = \hat{H}_T$ などの複数の中心スケール選択を検討する。
• 特に単一ジェットの包括的生成における第二ジェット寄与に注目し、運動量領域全体における高次の補正の振る舞いと残存スケール不確かさを分析する。
• NNLOの予測を、$\sqrt{s} = 7$ および $13$ TeVにおける二ジェットのインvariant質量および単一ジェットの $p_T$ 分布についてATLASおよびCMSのデータと比較する。
• 理論的不確かさを定量化し、予測の安定性を評価するために、スケール変動帯（2倍および0.5倍）を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二ジェット生成におけるNNLOで、どの中心スケール選択が最も安定的かつ収束性の高い摂動的級数をもたらすか？
• RQ2 さまざまなスケール選択は、単一ジェットの包括的 $p_T$ スペクトルにおける摂動的収束性と残存スケール不確かさにどのように影響を与えるか？
• RQ3 なぜ一部のスケール選択では、NNLOにおける第二ジェット寄与で物理的に不適切な負の予測が生じるのか？
• RQ4 $\mu = 2p_T$ のスケール選択が、実験的データとの比較および高次の補正における安定性から最適であると検証できるか？
• RQ5 NNLO補正は、二ジェットおよび単一ジェットの観測量において、どの程度スケール不確かさを低減し、LHCジェットデータとの整合性を向上させるか？

主な発見

• 二ジェット生成において、スケール選択 $\mu = m_{jj}$ は、$\mu = \langle p_T \rangle$ よりも顕著に低いスケール不確かさを示し、最も安定的かつ収束性に優れた摂動的級数をもたらす。
• 単一ジェットの包括的生成では、$\mu = 2p_T$ は全 $p_T$ 範囲にわたり安定的で正の値であり、スケール不確かさも小さい予測をもたらす。特に $R = 0.4$ コーンサイズにおいて顕著である。
• NNLOにおいて、単一ジェットの包括的断面積における第二ジェット寄与は、NLOに比べて顕著に大きくなり、特に低 $p_T$ で顕著になる。このため、スケール選択は安定性にとって極めて重要である。
• 他のスケール選択、例えば $\mu = \langle p_T \rangle$ や $\mu = \hat{H}_T$ は、一部の領域で第二ジェット寄与に物理的に不適切な負の予測をもたらし、摂動的挙動が劣悪であることを示している。
• NNLO予測において $\mu = 2p_T$ を用いることで、全ラピディティスライスにわたり小さな正の補正が得られ、NLOに比べて $\sqrt{s} = 13$ TeVにおけるCMSデータとの整合性が向上した。
• 全 $p_T$ 範囲にわたり、NLOからNNLOに移行する過程でスケール不確かさが顕著に低減され、$\mu = 2p_T$ 選択は最も一貫性があり信頼性の高い挙動を示した。