[論文レビュー] Precise Predictions for the Associated Production of a W Boson with a Top-Antitop Quark Pair at the LHC

Luca Buonocore, Simone Devoto+5 more|PubMed|Jun 28, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 45被引用数 8

ひとこと要約

著者らは ttW 生産の初の NNLO QCD 計算を提示し、未知の二回のループ部分を二つの独立した手法で推定し、NLO EW と組み合わせて、これまでで最も精度の高い ttW 包含予測を提供し、ATLAS/CMS データと比較する。

ABSTRACT

The production of a top-antitop quark pair in association with a W boson (tt[over ¯]W) is one of the heaviest signatures currently probed at the Large Hadron Collider. Since the first observation reported in 2015, the corresponding rates have been found to be consistently higher than the standard model predictions, which are based on next-to-leading order calculations in the QCD and electroweak interactions. We present the first next-to-next-to-leading order QCD computation of tt[over ¯]W production at hadron colliders. The calculation is exact, except for the finite part of the two-loop virtual corrections, which is estimated using two different approaches that lead to consistent results within their uncertainties. We combine the newly computed next-to-next-to-leading order QCD corrections with the complete next-to-leading order QCD plus electroweak results, thus obtaining the most advanced perturbative prediction available to date for the tt[over ¯]W inclusive cross section. The tension with the latest ATLAS and CMS results remains at the 1σ-2σ level.

研究の動機と目的

• 過去のデータとの緊張により ttW の標準模型予測を正確化する必要性を動機づける。
• 二つの独立した近似を用いて ttW 生産の NNLO QCD 修正を計算する。
• NNLO QCD 結果と完全な NLO QCD+EW 修正を組み合わせて、現時点で最も正確な ttW 断面積を得る。
• スケール、PDF/α_s、及び二回のループ推定に由来する近似不確実性を含む理論的不確実性を評価する。

提案手法

• 重子生成へ拡張された qT 除去形式を用い、NNLO の赤外発散を扱う。
• 正確な LO および NLO 摘要を用いて NNLO 修正を計算し、二-loop 的な仮想成分は soft-W および massification アプローチで近似する。
• 近似を NLO 正確結果と比較して検証し、不確実性の範囲内で一貫性を確保する。
• NNLO QCD と NLO EW 修正を組み合わせて最終的な NNLO QCD + NLO EW 予測を得る。
• スケール選択を検討し、保守的な誤差推定のためにスケール変動不確実性を対称化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV における包含的 ttW 断面に対する NNLO QCD 修正の影響は何か。
• RQ2 ttW 生産における二 loop 虚像補正の二つの独立近似はどれほど信頼できるか。
• RQ3 NNLO QCD と NLO EW の組み合わせは ttW にどのような影響を与え、予測は ATLAS/CMS 測定とどう比較されるか。

主な発見

σ_ttW+ [fb]	σ_ttW- [fb]	σ_ttW [fb]	σ_ttW+ / σ_ttW−
LO QCD	LO QCD: 420.2^{+25.3%}_{-18.8%}	-	-
NLO QCD	NLO QCD: 622.0^{+12.7%}_{-11.5%}	-	-
NNLO QCD	NNLO QCD: 710.7^{+4.9%}_{-6.5%}	-	-
NNLO QCD +NLO EW	NNLO QCD +NLO EW: 745.3^{+6.7%}_{-6.7%} a033. 18%	-	-
ATLAS [11]	585^{+6.0%}_{-5.8%} ^{+8.0%}_{-7.5%}	301^{+9.3%}_{-9.0%} ^{+11.6%}_{-10.3%}	890^{+5.6%}_{-5.6%} ^{+7.9%}_{-7.9%}	1.95^{+10.8%}_{-9.2%} ^{+8.2%}_{-6.7%}
CMS [10]	553^{+5.4%}_{-5.4%} ^{+5.4%}_{-5.4%}	343^{+7.6%}_{-7.6%} ^{+7.3%}_{-7.3%}	868^{+4.6%}_{-4.6%} ^{+5.9%}_{-5.9%}	1.61^{+9.3%}_{-9.3%} ^{+4.3%}_{-3.1%}

• NNLO QCD 修正は NLO 結果を約 15% 増加させ、摂動収束の改善を示す。
• NLO EW 修正を含めると NNLO QCD 結果は約 5% 上昇する。
• NNLO QCD + NLO EW における ttW 全断面は σ(ttW+)=497.5 fb, σ(ttW−)=247.9 fb、これらを合算した総断面は σ(ttW)=745.3 fb；比は σ(ttW+)/σ(ttW−)=2.007。
• 二つの独立した二-loop 虚像の近似（soft-W および massification）は、各近似の不確実性内で一貫した結果を与え、NNLO の hard-virtual 不確実性は約 25% 程度と見積もられ、組み合わせ時には全体的な摂動的不確実性は小さい。
• 理論的不確実性はパーセントレベルへ低減（NNLO でのスケール不確実性は数％程度、総不確実性は約 2%）。
• 予測は FxFx 型の参照と一致し、ATLAS および CMS 測定の 1σ–2σ領域内にあり、ATLAS の比はexcellent に一致。