[論文レビュー] Top-quark processes at NLO in production and decay

John M. Campbell, R. Keith Ellis|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、MCFMモンテカルロフレームワーク内で、スピン相関を保持するためトップクォークをオンシェルとみなして、次-leading-order (NLO) QCD計算によるトップクォーク生成および崩壊過程を提示する。生成および崩壊の両方で完全なNLO QCD補正を含み、$b$-クォーク質量依存性を完全に保持しており、崩壊を伴う$t$-チャンネルシングルトップ生成の最初のNLO処理を提供する。この手法により、LHCおよびテバトロンの物理的予測が高精度で可能になる。

ABSTRACT

We describe the implementation of top production and decay processes in the parton-level Monte Carlo program MCFM. By treating the top quark as being on-shell, we can factorize the amplitudes for top-pair production, s-channel single-top production, and t-channel single-top production into the product of an amplitude for production and an amplitude for decay. In this way we can retain all spin correlations. Both the production and the decay amplitudes are calculated consistently at next-to-leading order in alpha_s. The full dependence on the b-quark mass is also kept. Phenomenological results are presented for various kinematic distributions at the LHC and for the top quark forward-backward asymmetry at the Tevatron.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突におけるトップクォーク生成および崩壊過程の整合的なNLO QCDフレームワークの構築を目的とする。
• オンシェルトップクォーク近似のもとで生成と崩壊の振幅を分離し、スピン相関を保持する。
• 生成および崩壊の両振幅に完全な$b$-クォーク質量依存性をNLOで組み込む。
• 従来NLOで取り扱われていなかった、崩壊を伴う$t$-チャンネルシングルトップ生成過程へのNLO処理を拡張する。
• LHCおよびテバトロンの物理的観測量（運動量分布および前後非対称性を含む）に対する、現象論的に正確な予測を提供する。

提案手法

• スピン相関を保持するために、トップクォーク生成と崩壊の振幅を、それぞれオンシェルトップクォーク過程に分離して処理する。
• ${\overline{\text{MS}}}$スキームおよび次元正則化を用いて、生成および崩壊振幅の両方に完全なNLO QCD補正を実装する。
• $W$ボソン崩壊のKleiss-Steinhaeuserパrametrizationを用いて、行列要素に完全な$b$-クォーク質量依存性を保持する。
• トップ崩壊中の実際のグルーオン放出における赤外および紫外発散を補正項を用いて処理する。
• 虚仮および実際の補正を組み合わせることで、トップクォーク幅に一貫したNLO効果を組み込む。
• 4フラバー方式を全般に適用し、トップ崩壊における$b$-クォーク最終状態を一貫して取り扱う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピン相関を保持しつつ、トップクォーク生成および崩壊の両方に一貫したNLO QCD補正を適用する方法は何か？
• RQ2 NLOトップクォーク崩壊振幅に完全な$b$-クォーク質量を組み込むと、運動量分布にどのような影響を与えるか？
• RQ3 崩壊を伴う$t$-チャンネルシングルトップ生成におけるNLO補正の現象論的影響は何か？
• RQ4 トップクォーク幅に対するNLO QCD補正は、全幅および崩壊分岐比にどのように影響するか？
• RQ5 トップ崩壊における$W$ボソンのオフシェル効果は、NLOで最終状態分布にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• 本稿は、完全な崩壊、スピン相関および$b$-クォーク質量効果を含む、$t$-チャンネルシングルトップ生成の最初のNLO QCD計算を提示する。
• $b$-クォーク質量の組み込みは、行列要素の構造が単純であるため、計算コストはわずかである。
• 現象論的結果から、LHCにおける$t\bar{t}$およびシングルトップ生成の運動量分布に顕著なNLO補正が見られる。
• テバトロンにおけるトップクォーク生成の前後非対称性は、生成および崩壊の両方に完全なNLO QCD補正を適用して更新された。
• NLOトップクォーク幅の計算は、既知の結果と整合しており、$W$ボソンのオフシェル効果および$b$-クォーク質量効果からの補正を含む。
• この手法により、$t\bar{t}H$、$t\bar{t}Z$、$t\bar{t}W$といったより複雑な過程に対しても、完全な崩壊処理を伴うNLOへの拡張が可能になる。