[論文レビュー] Next-to-Leading Order QCD Predictions for W+3-Jet Distributions at Hadron Colliders

Carola F. Berger, Zvi Bern+7 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jul 11, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 38

ひとこと要約

この論文は、BlackHatから得られるオンシェル1ループ行列要素と、SHERPAによる実発光生成を用いて、ハドロン衝突装置におけるW+3ジェット生成の最初の次-leading order (NLO) QCD予測を提示する。Tevatronのデータと非常に良好な一致を示し、LHCにおける最初の高精度NLO予測を提供しており、スケール依存性を顕著に低減するとともに、3%以内の範囲で主色近似の妥当性を確認している。

ABSTRACT

We present next-to-leading order QCD predictions for a variety of distributions in W+3-jet production at both the Tevatron and the Large Hadron Collider. We include all subprocesses and incorporate the decay of the W boson into leptons. Our results are in excellent agreement with existing Tevatron data and provide the first quantitatively precise next-to-leading order predictions for the LHC. We include all terms in an expansion in the number of colors, confirming that the specific leading-color approximation used in our previous study is accurate to within three percent. The dependence of the cross section on renormalization and factorization scales is reduced significantly with respect to a leading-order calculation. We study different dynamical scale choices, and find that the total transverse energy is significantly better than choices used in previous phenomenological studies. We compute the one-loop matrix elements using on-shell methods, as numerically implemented in the BlackHat code. The remaining parts of the calculation, including generation of the real-emission contributions and integration over phase space, are handled by the SHERPA package.

研究の動機と目的

• 大型ハドロン衝突装置 (LHC) におけるW+3ジェット生成の、最初の定量的かつ高精度な次-leading order (NLO) QCD予測を提供すること。
• NLO補正を組み込むことで、ローレンツ的（LO）計算に内在する大きな反微分および因子化スケール依存性を低減すること。
• 完全な色構造を計算に組み込むことで、高多重性QCD過程における主色近似の正確さを検証すること。
• 異なる動的スケール選択が断面積に与える影響を検討し、特に全横運動量エネルギーをスケール選択として評価すること。
• 将来の他の数値コードへの実装を支援するため、固定のフェーズ空間点における仮想補正のベンチマーク行列要素値を提供すること。

提案手法

• オンシェルユニタリティ法を用いた1ループ仮想振幅の計算を、BlackHatコードで数値的に実装。
• 実発光寄与およびフェーズ空間積分は、SHERPAイベントジェネレータを用いて実行。
• 紫外発散の除去に't Hooft-Veltmanスキームを用い、仮想補正の反微分を実施。
• すべてのパートオン過程およびWボソンの最終状態におけるレプトン（e⁻ν̄ₑ）への完全な崩壊を計算に組み込む。
• 全横運動量エネルギーなどの複数のスケールを用いてNLO断面積を評価し、LOのスケール選択と比較。
• 固定フェーズ空間点における仮想補正の数値ベンチマークを実施し、4つの代表的過程について正規化された行列要素比を提供。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W+3ジェット生成における主色近似の精度はどの程度で、完全な色構造計算との乖離はどの程度か？
• RQ2 NLO補正により、LO予測と比較して反微分および因子化スケール依存性はどの程度低減されるか？
• RQ3 全横運動量エネルギーなどの動的スケール選択と、従来の選択とを比較した場合、どのスケール選択がより安定的かつ信頼性の高いNLO予測をもたらすか？
• RQ4 NLO予測は、既存のTevatronデータとどの程度一致するか？
• RQ5 固定フェーズ空間点における1ループ仮想補正の行列要素の数値は何か？そして、将来のコード検証にどのように利用できるか？

主な発見

• W+3ジェット生成のNLO予測は、既存のTevatronデータと非常に良好に一致しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられた。
• 従来の研究で用いられた主色近似は、完全な色構造計算と比較して3%以内の誤差で正確であることが確認された。
• NLOにおいて断面積のスケール依存性が顕著に低減され、全横運動量エネルギーをスケール選択とした場合、従来の選択より優れた性能を示した。
• 4つの代表的過程について、固定フェーズ空間点における仮想補正行列要素が提供され、1/ε²、1/ε、および有限項の明示的数値が示された。
• NLO計算はLHCの素粒子物理学的応用に適した精度に達しており、LHCにおけるW+3ジェット生成の最初の完全な定量的NLO予測を提供した。
• 仮想補正と木レベル行列要素の比は、Wボソンの質量および幅に依存せず、期待どおりにキャンセルが成立している。