[論文レビュー] Zγγproduction with leptonic decays and triple photon production at NLO QCD

Giuseppe Bozzi, Francisco Campanario+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ハドロン衝突器における$Z\gamma\gamma$生成（レプトンおよびニュートリノ崩壊を含む）および三光子生成に対する次-leading-order (NLO) QCD補正を、VBFNLOフレームワーク内でのモンテカルロ実装を用いて提示する。$Z\gamma\gamma$および$\gamma\gamma\gamma$のK要因はそれぞれ約1.5および約2.6に達し、スケール変動推定値を著しく上回る。これは、新物理探索における正確なバックグラウンドモデル化のため、完全に微分的なNLO計算が不可欠であることを示唆する。

ABSTRACT

We present a calculation of the O(alpha_s) QCD corrections to the production of a Z boson in association with two photons and to triple photon production at hadron colliders. All final-state photons are taken as real. For the Z boson, we consider the decays both into charged leptons and into neutrinos including all off-shell effects. Numerical results are obtained via a Monte Carlo program based on the structure of the VBFNLO program package. This allows us to implement general cuts and distributions of the final-state particles. We find that the NLO QCD corrections are sizable and significantly exceed the expectations from a scale variation of the leading-order result. In addition, differential distributions of important observables change considerably. The prediction of two-photon-associated Z production with Z decays into neutrinos from the charged-lepton rate works well, once we use an additional cut on the invariant mass of the charged-lepton pair.

研究の動機と目的

• レプトンおよびニュートリノ崩壊モードを含む$Z\gamma\gamma$生成に対するNLO QCD補正を、完全なオフシェル効果を考慮して計算すること。
• ハドロン衝突器における三光子生成（$\gamma\gamma\gamma$）に対するNLO QCD補正を計算すること。
• 精度の高いバックグラウンド推定、特に新物理探索におけるNLO補正の統合的および微分的断面積への影響を評価すること。
• $Z\to\ell^+\ell^-$崩壊モードが、運動的カットを用いて$Z\to\ \nu\bar{\nu}$モードを信頼性高く予測できるかどうかを評価すること。
• ハドロン衝突器における三ベクトルボソン生成のNLO QCDプログラムを、オフシェル効果およびレプトン崩壊効果を含めて完成させること。

提案手法

• VBFNLOフレームワークに基づくモンテカルロ実装を用い、$Z\gamma\gamma$では$\mathcal{O}(\alpha_s\alpha^4)$、$\gamma\gamma\gamma$では$\mathcal{O}(\alpha_s\alpha^3)$までのNLO QCD補正を計算した。
• 計算コストを低減するために、$Z$および仮想光子の崩壊を独立して効率的に計算するための「レプトンテンソル」を用いた。
• 完全に排他的なパートンレベルのモンテカルロプログラムを用いて、一般のカットおよび分布を含むフェーズ空間統合を実施した。
• 仮想補正および実補正の両方について、赤外・紫外有限性を確認するための広範なクロスチェックを実施し、数値的安定性を確保した。
• 理論的不確実性を推定するため、スケール変動（$\mu = \mu_0/2$ から $2\mu_0$）を用い、因子化スケールと摂動スケールを同時に変動させた。
• クォーク線の放射を分離し、最終状態の光子放射を抑制するために、二レプトンのインヴァリアント質量にカット（$|m_{\ell\ell} - m_Z| < 2\Gamma_Z$）を導入した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $Z$が電荷を帯びるレプトンに崩壊する場合の$Z\gamma\gamma$生成に対するNLO QCD補正はどの程度大きいのか？
• RQ2 光子間隔、欠落運動量、および$ p_T $といった観測量の微分的分布は、LOとNLOの間でどの程度変化するか？
• RQ3 新物理探索におけるバックグラウンド推定において、$Z\to\ell^+\ell^-$崩壊モードを用いて$Z\to\ \nu\bar{\nu}$モードを信頼性高く予測できるか？
• RQ4 ジェットボイドが$Z\gamma\gamma$および$\gamma\gamma\gamma$過程の微分的K要因の形状にどのような影響を及えるか？
• RQ5 サイズおよびフェーズ空間依存性の観点から、NLO補正はスケール変動推定値とどのように比較されるか？

主な発見

• $Z\gamma\gamma$生成に対するNLO QCD補正は顕著であり、$Z\to\ell^+\ell^-$および$Z\to\ \nu\bar{\nu}$崩壊の両方で統合K要因が約1.5に達する。
• 三光子生成（$\gamma\gamma\gamma$）では、NLO補正がさらに大きく、K要因は約2.6に達し、10–16%のスケール変動推定値を著しく上回る。
• 光子間隔（$R_{\gamma\gamma}$）や欠落運動量といった主要な観測量の微分的K要因は、フェーズ空間全体で強く変動しており、LO結果の単純なスケーリングでは不十分であることが示唆される。
• ジェットボイドを導入しても微分的K要因は平坦化されないため、正確なモデル化のためには完全に排他的なNLO計算が不可欠である。
• 二レプトンインヴァリアント質量にカット（$|m_{\ell\ell} - m_Z| < 2\Gamma_Z$）を適用することで、$Z\to\ell^+\ell^-$モードが$Z\to\ \nu\bar{\nu}$モードを正確に予測可能である。これは、主な放射メカニズム（クォーク線）が分離されているためである。
• スケール変動による理論的不確実性は、$Z_{\ell}\gamma\gamma$、$Z_{\nu}\gamma\gamma$、$\gamma\gamma\gamma$それぞれで9.0%、7.5%、18.6%であったが、スケールの共同変動により、キャンセレーションのおかげで4%未満にまで低下した。