[論文レビュー] Precise Predictions for Z + 4 Jets at Hadron Colliders

Harald Ita, Zvi Bern+4 more|University of North Texas Digital Library (University of North Texas)|Aug 10, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 51

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける$Z+4$ジェット生成の初の次-leading-order (NLO) QCD計算を、オンシェルユニタリティ法を用いて、効率的な振幅計算が可能になるように提示する。主な結果として、$Z \to e^+e^-$のための全断面積とジェットの横運動量分布の高精度な予測が得られ、LO結果と比較してスケール依存性が著しく低減され、実験データとの一致が向上している。

ABSTRACT

We present the cross section for production of a Z boson in association with four jets at the Large Hadron Collider, at next-to-leading order in the QCD coupling. When the Z decays to neutrinos, this process is a key irreducible background to many searches for new physics. Its computation has been made feasible through the development of the on-shell approach to perturbative quantum field theory. We present the total cross section for pp collisions at sqrt{s} = 7 TeV, after folding in the decay of the Z boson, or virtual photon, to a charged-lepton pair. We also provide distributions of the transverse momenta of the four jets, and we compare cross sections and distributions to the corresponding ones for the production of a W boson with accompanying jets.

研究の動機と目的

• LHCにおける$Z+4$ジェット生成の次次-leading-order (NLO) QCD断面積を計算すること。この過程は、新しい物理探索の背景として極めて重要である。
• $Z$ボソンの4ジェット生成、特に$Z \to e^+e^-$崩壊を含む、高精度な理論的予測を提供することで、新しい物理探索における背景推定を改善すること。
• オンシェルユニタリティ法を適用することで理論的不確実性を低減し、多粒子振幅の計算を管理可能なスケーリングで効率的に行えるようにすること。
• $W^++4$ジェット生成と比較し、スケールおよび因子化不確実性にあまり依存しない比を提供すること。
• 実験的解析を支援するため、ジェットの$p_T$分布および断面積比についてNLO精度の予測を提供すること。これは、$Z \to \nu\bar{\nu}$崩壊を伴う欠落エネルギー探索において極めて重要である。

提案手法

• 散乱振幅の解析的性質を活用し、$qg \to Zqggg$および$q\bar{Q} \to ZqQ'\bar{Q}'\bar{Q}$の1ループ振幅をオンシェルユニタリティ法で計算した。
• 計算の複雑さを軽減するため、仮想補正に対してリーディングカラーレプリカションを用い、最大3つの関連ジェットまでで約3%の精度で妥当であると検証した。
• ジェット定義に反-$k_T$ジェットアルゴリズム（$R=0.5$）を用い、$Z \to e^+e^-$崩壊を組み込み、仮想光子（$\gamma^*$）の寄与も含めた。
• フェーズスペースにおける数値的統合を実施し、体系的な不確実性を推定。スケール依存性は$\mu_R$および$\mu_F$の変動を用いて評価した。
• LO結果と比較し、特に4つの主要ジェットの$p_T$分布および$W^+ + 4$ジェットおよび$Z+(n-1)$-ジェット過程との比に注目した。
• オンシェル振幅計算にはBlackHatフレームワークを、パートンシャワイングおよび非摂動的効果の推定にはSHERPAを組み合わせた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\sqrt{s} = 7$ TeVにおける$Z+4$ジェット生成のNLO QCD断面積は、$Z \to e^+e^-$崩壊を伴う場合、どの程度か？
• RQ2 NLO補正は、$Z+4$ジェット生成における4つの主要ジェットの横運動量分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 $Z+4$ジェット断面積と$W^++4$ジェット断面積を比較すると、$Z/W^+$比は理論的不確実性を低減する上でどのような意義を持つのか？
• RQ4 ジェット生成比（$Z+n$-ジェット対$Z+(n-1)$-ジェット）は、スケール変動に対してどの程度安定しているか？また、実験的カットにどのように依存するか？
• RQ5 高多重度QCD過程において、NLO補正はLO予測と比較してスケール依存性をどの程度低減するか？

主な発見

• $\sqrt{s} = 7$ TeVにおける$Z+4$ジェット生成の全NLO断面積は$1.06 \pm 0.01$ pbであり、スケール不確実性は$^{+0.05}_{-0.14}$ pbである。これはLO（$1.116 \pm 0.002$ pb）と比較して5%の減少を示している。
• NLOの最初の3つの主要ジェットの$p_T$分布はLOと比較して著しく緩和されるが、4番目のジェットの$p_T$分布はほぼ変化しない。
• $Z/W^+$断面積比は$p_T$に依存せずほぼ平坦であり、LOとNLOの間でほとんど変化しない。これは摂動論的制御が強いことを示している。
• $Z/W^-$比は$p_T$とともに増加し、高$x$領域で$u$クォーク分布が$d$クォークを上回ることを反映している。NLOでは良好に制御されている。
• ジェット生成比（$Z+n$-ジェット対$Z+(n-1)$-ジェット）は、ジェット多重度にほとんど依存しない期待値と一致しているが、$Z+1$-ジェット/$Z+0$-ジェット比は運動論的制約のため例外的である。
• NLO結果は、特に高多重度ジェット生成において、LOと比較して著しくスケール依存性が低減されており、理論的精度の向上が確認された。