[論文レビュー] Precise QCD predictions for W-boson production in association with a charm jet

A. Gehrmann–De Ridder, T. Gehrmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、赤外・衝突安全なフレーバードレッシング手順を用いて charm クォークのジェットを定義する新しい手法を用いて、W ボソンと charm クォークのジェットを同時に生成する過程における次々次の高次の QCD 計算（NNLO）を提示する。研究では、ボーンレベルにおいて奇妙クォーク分布が断面積を支配していることが明らかになり、高次の補正項がこの感度を維持していることが示された。これにより、陽子内の奇妙クォークと他のクォークのフレーバー分離が向上した、高精度なグローバル PDF フィットが可能になる。

ABSTRACT

The production of a $W$-boson with a charm quark jet provides a highly sensitive probe of the strange quark distribution in the proton. Employing a novel flavour dressing procedure to define charm quark jets, we compute $W$+charm-jet production up to next-to-next-to-leading order (NNLO) in QCD. We study the perturbative stability of production cross sections with same-sign and opposite-sign charge combinations for the $W$ boson and the charm jet. A detailed breakdown according to different partonic initial states allows us to identify particularly suitable observables for the study of the quark parton distributions of different flavours.

研究の動機と目的

• クォーク部分子分布関数（PDF）のうち、特に奇妙クォーク分布への感度を向上させるために、W+charm ジェット生成過程の高精度な NNLO QCD 細分化補正を計算すること。
• 赤外・衝突安全な方法で charm クォークのジェットを定義できる、新しいフレーバードレッシング手順の開発と、高次の QCD 計算への実装。
• 生成断面積を部分的初期状態に分解することで、特定の PDF（例えば奇妙クォークや他の軽いクォーク）に最も感度が高い観測量を同定すること。
• 同じ符号と異符号の電荷配置、および異なる運動量領域における予測の摂動的安定性を検証すること。
• 将来的なグローバル NNLO PDF フィットに W+charm ジェットデータを組み込むために、信頼性が高く高精度な理論的枠組みを提供すること。

提案手法

• 計算は NNLOJET フレームワーク内において実施され、実および仮想補正における赤外特異性を処理するため、アンテナ減算法が NNLO まで適用された。
• 赤外および衝突（IRC）安全を保ちつつ、ジェットに charm クォークのフレーバーを割り当てる新しいフレーバードレッシング手順が実装された。これは、二次的クォーク-反クォーク対生成に起因する問題を回避する。
• CKM混合行列は行列要素に完全に組み込まれており、初期状態クォークのフレーバー変換および弱アイソスピンを正しく反映している。
• クォーク-反クォークアンテナ関数に電荷追跡が実装され、W+ と W− の生成を区別し、異なるクォークフレーバー初期状態からの寄与を分離できるようにした。
• NLO および NNLO での部分的チャンネル分解を実施し、g+s、q+q、g+q などの異なる初期状態構成からの相対的寄与を分析した。
• 数値的結果は、実験的測定と整合するフィデューシャル位相空間を用いて計算され、同じ符号と異符号の電荷配置間の詳細な比較が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLO QCD 補正は、W+charm ジェット生成の微分断面積および全断面積にどのように影響を与え、異なる電荷配置（同じ符号と異符号）において摂動的安定性は保たれているか？
• RQ2 フレーバードレッシング手順は、charm クォークジェットを定義するにあたり、赤外および衝突安全性をどの程度確保しているか。また、他のジェットフレーバー特定手法と比較してどう異なるか？
• RQ3 NNLO において、どの部分的初期状態が W+charm ジェット生成断面積を支配しているか。また、横運動量などの運動量変数に応じて、その寄与はどのように変化するか？
• RQ4 W−+c-ジェット断面積が W++-c-ジェット断面積を上回る理由は何か。CKM で抑制された d 値クォーク初期状態プロセスは、この非対称性にどのように寄与しているか？
• RQ5 チャンネル分解により、奇妙クォーク分布関数への感度が強化されているか。また、高次の QCD 補正を含めた後も、この感度は維持されるか？

主な発見

• 高次の横運動量領域において、CKM で抑制された d 値クォーク初期状態プロセスの寄与が支配的であるため、W−+c-ジェット断面積は W++-c-ジェット断面積のおよそ2倍に達する。
• ボーンレベルにおいて g+s および s+q 初期状態が断面積の主な寄与を占め、NNLO においてもその寄与が保持されており、奇妙クォーク分布への感度が確認された。
• OS−SS 減算法により、二次的 charm クォーク生成寄与が効果的に抑制された。これにより、フレーバードレッシング手法の堅牢性が裏付けられた。
• q(q)q(q) および gq(q) チャンネルは、W++-c-ジェットに対して W−-c-ジェットよりも大きな非対称性を誘導する。これは、フレーバー和算および放射的 charm クォーク生成に起因し、特に大 x 領域で顕著である。
• NNLO における部分的チャンネル分解により、高次の補正を含めた後でも、奇妙クォーク分布関数が断面積の主なプローブのままであることが確認された。
• 結果として、NNLO におけるフレーバードレッシングジェットは、高精度な PDF フィットに適した信頼性が高く IRC 安全な枠組みを提供しており、陽子内における奇妙クォークの内容の改善された決定が可能になった。