[論文レビュー] W physics at the LHC with FEWZ 2.1

Ryan Gavin, Ye Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 77

ひとこと要約

本稿では、量子色力学（QCD）における次々次打精度（NNLO）での完全排他的WおよびZボソン生成を扱うFEWZフレームワークのアップデート版であるFEWZ 2.1を提示する。このフレームワークはWボソン物理学を新たに含むよう拡張され、ビームスラストや横方向質量といった新たな観測量が導入され、10倍の高速化が達成された。これにより、実験的フィデューシャル領域測定と理論予測の直接比較が可能となり、位相空間への外挿に依存する必要が軽減され、PDFの制約感度が向上する。

ABSTRACT

We present an updated version of the FEWZ (Fully Exclusive W and Z production) code for the calculation of W and gamma*/Z production at next-to-next-to-leading order in the strong coupling. Several new features and observables are introduced, and an order-of-magnitude speed improvement over the performance of FEWZ 2.0 is demonstrated. New phenomenological results for W production and comparisons with LHC data are presented, and used to illustrate the range of physics studies possible with the features of FEWZ 2.1. We demonstrate with an example the importance of directly comparing fiducial-region measurements with theoretical predictions, rather than first extrapolating them to the full phase space.

研究の動機と目的

• NNLO QCD精度でZ/γ*からW±ボソン生成へのFEWZフレームワークの拡張を目的とする。
• 実際のLHCの運動学的条件を想定した場合に、FEWZ 2.0と比較して計算性能を10倍向上することを目的とする。
• ビームスラストと横方向質量といった新たな観測量を導入し、新しい種類の素粒子物理学的解析を可能とすることを目的とする。
• フィデューシャル領域での測定値と理論予測の直接比較を容易にし、位相空間への外挿に起因する不確実性を回避することを目的とする。
• LHAPDFインターフェースを介して複数のPDFセット（MSTW, NNPDF, HERAPDF）をサポートし、W物理学におけるPDF不確実性の定量化を強固にする。

提案手法

• NNLOでの図式構造と対称性因子の修正により、FEWZ 2.0フレームワークをW±生成に適応化する。
• 並列化された統合エンジンを実装し、最適化されたサンプリングを用いることで、約10倍の高速化を達成する。
• ビームスラストを、ジェットの横方向運動量とピロティチュードを用いて定義するジェットベースの観測量として導入し、明示的なジェットアルゴリズムを用いずに中央ジェット遮断を実現する。
• W→ℓν崩壊生成物の横方向質量を計算可能にし、欠落エネルギーのシグネチャー解析を支援する。
• LHAPDF統合により、MSTW, NNPDF, HERAPDFといった複数のPDFセットのシームレスな利用が可能となり、すべての観測量にわたるPDF不確実性の伝搬が可能になる。
• ヒストグラム入力ファイルを用いることで、1回の実行で複数の運動量変数にわたるビン分け分布および比の研究（例：W+/W−比）が可能になる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 FEWZフレームワークは、どのようにしてNNLO QCD精度でのW±ボソン生成に拡張可能か？
• RQ2 実際の検出器カットを想定したWボソン生成において、統合エンジンの性能向上はどの程度達成可能か？
• RQ3 ビームスラストや横方向質量といった新たな観測量は、Wボソンの運動学的性質およびジェット活動の研究をどのように向上させるか？
• RQ4 外挿された全位相空間予測と比較して、フィデューシャル領域の直接比較によって理論的不確実性はどの程度軽減可能か？
• RQ5 MSTW, NNPDF, HERAPDFといった異なるPDFセットは、LHCにおけるW±生成比および電荷非対称性にどのように影響を与えるか？

主な発見

• FEWZ 2.1はFEWZ 2.0と比較して10倍の高速化を達成し、標準的なLHC受容カットを適用した状態で、1台のマシンで数時間でNNLO W物理学の計算が可能になった。
• ビームスラストと横方向質量の導入により、W生成におけるジェット活動および欠落エネルギーシグネチャーの新たな解析が可能となった。ビームスラストは、色因子が小さいため、ヒッグス生成と比較して低値にピークする。
• 中央ラピディティ付近のフィデューシャル領域におけるW+/W−断面積比は、PDFセット間で明確に分離しており、不確実性がPDF差よりも小さいため、PDFセットの区別が可能である。
• MSTW, NNPDF, HERAPDFのPDFセットを用いてNNLOで計算された電荷非対称性$dA_W/d\eta_l$は、ATLASデータと良好に一致しているが、MSTW予測は測定されたピロティチュード範囲全域でわずかに低めに位置している。
• フィデューシャル領域観測量と理論の直接比較により、位相空間外挿による実験的不確実性の拡大を回避でき、PDF制約研究において不可欠である。
• 累積的1次ジェット$p_T$およびビームスラスト分布は、3つのPDFセット間で顕著な差が認められず、W生成におけるこれらの観測量がPDFの変動に対して頑健であることが示された。