[논문 리뷰] Associated production of a W or Z boson with bottom quarks at the Tevatron and the LHC

F. Febres Cordero, Laura Reina외 1명|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 테바트론에서 보손 W 및 Z와 함께 바텀 쿼크 쌍(Wbb̄, Zbb̄)의 생성에 대해 다음 주된 순서(NLO) QCD 계산을 제시하며, 전체 바텀 쿼크 질량 효과를 포함한다. 비제로 바텀 쿼크 질량이 mb 근처의 운동량 분포에 상당한 영향을 미치며, 특히 관측량이 mb에 수렴하는 영역에서 두드러지게 나타나며, 질량 효과와 융합된 4FNS/5FNS 체계를 포함함으로써 이론적 불확도가 감소하고 테바트론 데이터와의 일치도 향상됨을 보여준다.

ABSTRACT

We present total and differential cross sections for W b anti-b and Z b anti-b production at the CERN Large Hadron Collider including Next-to-Leading Order (NLO) QCD corrections and full bottom-quark mass effects. We discuss the scale uncertainty of the total cross sections due to the residual renormalization- and factorization-scale dependence of the truncated perturbative series. We also discuss b-quark mass effects in kinematic distributions by comparing with a calculation that considers massless bottom quarks, as implemented in the Monte Carlo program MCFM. The effects of a non-zero bottom-quark mass (m_b) cannot be neglected in phase-space regions where the relevant kinematic observable, such as the transverse momentum of the bottom quarks or the invariant mass of the bottom-quark pair, are of the order of m_b. Finally, we present the result of a detailed comparison of NLO QCD predictions for W+b-jet production with one or two jets with Tevatron data.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 NLO QCD 보정과 전체 바텀 쿼크 질량 효과를 포함한 Wbb̄ 및 Zbb̄ 생성에 대한 총 단면적 및 미분 단면적을 계산하기 위해.
• 비제로 바텀 쿼크 질량이 운동량 분포에 미치는 영향, 특히 mb 척도 근처에서의 영향을 평가하기 위해.
• 일개 또는 두 개의 제트를 포함한 W+b-제트 생성에 대한 NLO QCD 예측을 테바트론 CDF 데이터와 비교하여 이질성을 해결하기 위해.
• 척도 불확도와 포함형 대비 배제형 단면적에서 qg-기인 과정의 기여를 평가하기 위해.
• 질량이 있는 b-쿼크와 큰 로그의 재수열을 포함하는 융합된 4FNS/5FNS 접근법을 사용하여 이론 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 계산은 고정된 쿼르크 수 모델(FFS, 4FNS)에서 NLO QCD로 수행되며, 전체 바텀 쿼크 질량 효과를 포함하고, 한 단계의 가상 보정과 최대 한 개의 추가 파arton을 포함한 실제 복사 보정을 사용한다.
• CTEQ6M PDF 세트와 이중 순서 αs 진화를 사용하며, b-제트 재구성에 kT 제트 알고리즘과 R=0.7을 적용한다.
• 운동량 분포에서 질량 효과를 분리하기 위해 질량이 없는 b 쿼크를 가정한 MCFM 결과와 비교한다.
• W+b-제트 생성 계산에서 4FNS와 5FNS 체계를 융합하여 질량이 있는 b-쿼크 기여와 큰 로그의 재수열을 일관되게 포함시킨다.
• 척도 의존성은 양자화 및 인식 척도를 변화시켜 평가하며 잔여 불확도는 정량화한다.
• 테바트론 데이터 비교는 W+1b-제트 및 W+2b-제트 생성의 조합 예측을 사용하며, 제트 수준 단면적과 일치하도록 가중치를 조정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비제로 바텀 쿼크 질량 효과는 LHC에서 Wbb̄ 및 Zbb̄ 생성의 운동량 분포 형상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 바텀 쿼크 질량은 특히 mb 척도 근처에서 총 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 일개 또는 두 개의 제트를 포함한 W+b-제트 생성에 대한 NLO QCD 예측은 테바트론 CDF 데이터와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 NLO 예측에서 척도 불확도가 포함형 단면적과 배제형 단면적 간에 얼마나 다를까?
• RQ5 융합된 4FNS/5FNS 접근법은 W+b-제트 생성에서 이론적 안정성과 데이터 일치도를 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 비제로 바텀 쿼크 질량은 특히 바텀 쿼크 쌍의 진동 질량 또는 그들의 횡방향 운동량이 mb에 수렴하는 영역에서 운동량 분포에 상당한 영향을 미친다.
• 총 단면적은 바텀 쿼크 질량 효과로 감소하며, 낮은 pTb 절단 조건에서 더 강한 억제 효과를 보이지만, 일반적으로 NLO에서 잔여 척도 불확도보다 작다.
• 전체 질량 효과와 융합된 4FNS/5FNS를 포함한 W+b-제트 생성에 대한 NLO QCD 예측은 1.22 ± 0.14 pb이며, LO 대비 K-팩터는 약 1.34이다.
• 질량 효과와 4FNS/5FNS 기여의 적절한 융합이 포함될 경우 이전 이론과 CDF 데이터 사이의 이질성이 감소한다.
• qg-기인 과정은 포함형 단면적에서 배제형 단면적보다 척도 의존성에 더 큰 기여를 한다. 이는 후자의 경우 제트 다중도 억제 효과 때문이다.
• mb≠0인 NLO 단면적과 mb=0인 경우의 비율은 mb 근처의 운동량 영역에서 명확한 이격을 보이며, 정밀 연구에서 질량 효과의 필요성을 확인한다.