[論文レビュー] Soft Gluon Resummation in $t$-channel single top quark production at the LHC

Qing-Hong Cao, Peng Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける$ t $-チャネル単一トップクォーク生成におけるソフトグルーオン放射の次-leading対数（NLL）再結合を、横運動量依存（TMD）因子化を用いて行う。色の干渉効果が初期状態と最終状態の間で顕著に働き、$ q_\perp $スペクトルおよび$ \phi^* $分布に影響を与え、特に前方ジェット領域で顕著である。これは、$ \phi^*<0.05 $の領域において、トップクォークでは15%、アンチトップクォークでは11%高いフィデューシャル断面積を示しており、高精度なトップクォーク物理学における理論的モデルの改善が不可欠であることを示している。

ABSTRACT

We present a detailed phenomenological study of the multiple soft gluon radiation for the $t$-channel single top and anti-top quark production at the Large Hadron Collider (LHC). By applying the transverse momentum dependent factorization formalism, large logarithms introduced by small total transverse momentum $q_\perp$ of the single-top (anti-top) plus one-jet final state system are resummed to all orders in the expansion of the strong interaction coupling at the accuracy of Next-to-Leading Logarithm. We discuss various kinematical distributions which are sensitive to this effect and find that soft gluon radiation become more important when the final state jet is required to be in the forward region. We show that the main difference from PYTHIA prediction lies on the inclusion of the exact color coherence effect between the initial and final states in our resummation calculation. We further propose to apply the experimental observable $ϕ^*$ to test the effect of multiple gluon radiation in the single-top and anti-top events. The bottom quark mass effect and jet rapidity distribution are also discussed.

研究の動機と目的

• 固定順序QCDを超えたLHCにおける$ t $-チャネル単一トップクォーク生成におけるソフトグルーオン放射の理論的記述の改善を目的とする。
• 初期状態と最終状態間の色の干渉効果が、特に前方ジェット領域の運動量分布に与える影響を定量化することを目的とする。
• 再結合効果とパートオンシャワー・モデル（PYTHIA）を区別するための精密観測量として$ \phi^* $を提案することを目的とする。
• 再結合効果がトップクォーク物理学における$ V_{tb} $の測定および$ Wtb $の異常カップリングの探査に与える影響を評価することを目的とする。

提案手法

• 強い結合定数$ \alpha_s $において、$ \ln(Q^2/q_\perp^2) $の大きな対数項をNLL精度まで再結合するため、横運動量依存（TMD）因子化形式を適用する。
• 再結合されたソフトグルーオン補正を再結合群の発展を用いて行い、NLO結果との整合性を確認するためのマッチングを実施する。
• Sudakov指数における干渉係数$ T $を用いて正確な色の干渉効果を組み込み、パートオンシャワー・モデルとは区別する。
• 異なるジェットラピディティ領域において、再結合結果とPYTHIA予測との間の$ q_\perp $および$ \phi^* $分布を比較する。
• 実験的解析における理論的不確実性への感受性を評価するため、$ \phi^* $カットを用いたフィデューシャル断面積を評価する。
• 実験的精度を向上させるために、ボトムクォークの質量効果およびジェットラピディティ分布を再結合フレームワークに組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ソフトグルーオン再結合効果は、$ t $-チャネル生成における単一トップクォークに1本のジェットを伴う最終状態の横運動量分布にどのように影響するか？
• RQ2 初期状態と最終状態間の色の干渉効果は、前方ジェット領域における$ q_\perp $スペクトルおよび$ \phi^* $分布にどの程度の影響を与えるか？
• RQ3 $ \phi^* $カットを適用した場合、再結合予測とPYTHIAとの間でフィデューシャル断面積にどのような差が生じるか？
• RQ4 $ \phi^* $観測量は、単一トップクォーク事象における再結合QCD効果とパートオンシャワー・モデルを区別するための感受性の高いプローブとして機能できるか？
• RQ5 ボトムクォークの質量およびジェットラピディティは、$ t $-チャネル単一トップクォーク生成における再結合された運動量分布にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 再結合計算は、$ q_\perp $が小さい領域でNLO結果と完全に一致しており、形式の妥当性が裏付けられた。
• 再結合フレームワークから得られたNLO全断面積は、MCFMの予測と正確に一致しており、一貫性が確認された。
• 最終状態のジェットが前方領域（$ |y_J| \geq 3 $）にある場合、再結合からの$ q_\perp $スペクトルはPYTHIAと顕著に異なる。これは主に色の干渉効果に起因する。
• $ \phi^*<0.05 $の領域では、前方ジェット領域において、再結合モデルのフィデューシャル断面積はトップクォークで15%、アンチトップクォークで11%高い。
• $ \phi^*<0.1 $の領域では、トップクォークで6%、アンチトップクォークで4%の差が生じ、実験的解析における非微小な理論的不確実性が示された。
• Sudakov指数に干渉係数$ T $を組み込むことは極めて重要であり、その省略は$ \phi^* $分布に顕著なシフトを引き起こす。これは、色構造への感受性を示す上でその役割が重要であることを強調している。