[論文レビュー] Rare Standard Model processes for present and future hadronic colliders

Paolo Torrielli|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用数 9

ひとこと要約

この論文は、ハドロン衝突型加速器における標準模型のレア過程の次-leading-order (NLO) QCD計算を、MadGraph5_aMC@NLOフレームワークを用いて提示している。主な対象は、マルチヒッグス、マルチ電弱ボソン、マルチトップクォークの最終状態である。100 TeVのFCC-hhでは、8 TeVのLHCと比較して断面積が最大1,150倍にまで増加する。5ボソン生成および電弱ボソンと2本のジェットを伴うトップ＝アンチトップ対生成のNLO精度の予測は、本論文で初めて報告される。

ABSTRACT

In this talk I present the total cross sections, accurate at the NLO in QCD, for rare Standard-Model hadroproduction processes involving multi-Higgs-boson, multi-electroweak-boson and multi-top-quark final states. The comparison between cross sections at the LHC and at a future circular hadronic collider with up to 100 TeV centre-of-mass energy is detailed. Results relevant to the hadronic production of five electroweak bosons, and of a top-antitop pair in association with an electroweak vector boson and two jets are presented here for the first time with NLO accuracy.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突型加速器における、複数のヒッグスボソン、電弱ベクトルボソン、およびトップクォークを含む、レアな標準模型過程の正確なNLO QCD予測を提供すること。
• LHCのデータと比較することで、100 TeVのFCC-hhにおけるこれらのレア過程の観測可能性を評価すること。
• 電弱ボソンと2本のジェットを伴う5つの電弱ボソンのハドロン生成およびトップ＝アンチトップ対の生成に関する、初のNLO精度の予測を提供すること。
• 統一された計算フレームワークを用いて、多様な最終状態にわたる理論的予測の整合性と信頼性を高めること。
• 複雑な標準模型背景の制御を向上させることで、ニューエルスフィジックス探索およびヒッグス粒子性質の測定を支援すること。

提案手法

• NLOにおけるQCDの完全な柔軟性を持つ任意のSM過程の自動的かつ完全なシミュレーションを実現するため、MadGraph5_aMC@NLOフレームワークを用いる。
• NLO計算にはFKS赤外線除去法を、1ループ行列要素計算にはOPP法とOpenLoopsを用いる。
• NLO計算とパートンシャワーのマッチングにはMC@NLO形式を、マルチジェット最終状態にはFxFxマージング方式を適用する。
• 最終状態粒子の運動量の横方向質量の和を用いて、相互作用のスケールと因子化スケールを動的に設定し、再重みティングによるスケール不確実性を推定する。
• MSTW 2008 NLO PDFセットを用い、非対称ヘシアンPDF不確実性とPDFセットに整合するαS値を採用する。
• 実際の最終状態再構成に適切な条件として、ジェットおよび光子の分離基準（反-kT、ΔR=0.7、pT>20 GeV；Frixioneコーン、R0=0.4）を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8 TeVのLHCから100 TeVのFCC-hhに移行する際、レアなSM過程の全断面積はどのようにスケーリングするか？
• RQ2 エネルギーと光度の向上に伴い、複数のヒッグスまたは電弱ボソンを含むどのレアなSM過程がFCC-hhで顕著に観測可能になるか？
• RQ3 5つの電弱ボソン生成およびトップ＝アンチトップ＋V＋2ジェット最終状態に関する、初のNLO QCD精度の予測は何か？
• RQ4 スケールおよびPDFの変動に起因する理論的不確実性は、高エネルギー域におけるこれらの予測の信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 ジェットおよびレプトンの運動量カットは、FCC-hhにおける位相空間および断面積の増加にどの程度寄与するか？

主な発見

• $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}$ の断面積は、4フレーバー体系で100 TeVのFCC-hhにおいて1.10 pbに達し、8 TeVのLHCと比較して断面積比 $\rho = 486$ となる。
• $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}jj$ の過程では、100 TeVのFCC-hhで $\rho$ 比率が1,150に達し、将来的な加速器での顕著な可視性を示唆する。
• $pp \to t\bar{t}Zj$ の過程では $\rho$ 比率が789に達し、位相空間およびエネルギーの増加に起因する顕著な増幅が確認される。
• 100 TeVでの $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}$ の断面積は、Brを考慮しない状態で1.10 pbであり、FCC-hhにおける最も有望なレアSMシグナルの一つである。
• $pp \to t\bar{t}\gamma j$ の過程では $\rho$ 比率が498に達し、追加のジェットが付加されても、これらの過程がFCC-hhで依然として高い可視性を示すことが示される。
• すべての予測は完全なNLO QCD精度で計算されており、スケールおよびPDFの変動に起因する理論的不確実性を含んでおり、モンテカルロ誤差は比較的無視できる程度に小さい。