[논문 리뷰] Automated EW corrections with isolated photons: $t \bar t \gamma$, $t \bar t \gamma\gamma$ and $t \gamma j$ as case studies

Davide Pagani, Hua-Sheng Shao외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 110인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 고립된 광자와 함께 토크-쿼크 쌍 및 단일 토크 생성(𝑡̄𝑡𝛾, 𝑡̄𝑡𝛾𝛾, 𝑡𝛾𝑗)에 대한 최초의 자동화된 Complete-NLO 예측을 제시한다. 이는 전자약 상호작용의 혼합 재정규화 체계(광자에 대해선 𝛼(0), 기타 전자약 상호작용에 대해선 𝐺𝜇 또는 𝛼(𝑚𝑍))를 도입하여 MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 확장함으로써 달성되었다. 주요 결과는 총 단면적과 스펙트럼에 대한 NLO 전자약 보정이 일반적으로 1% 미만이며, 분포의 尾부에서는 미미한 영향을 미치는 것으로 나타나, 이러한 과정에서 전자약 보정이 제어 가능하고 천체적 척도에 부합함을 시사한다.

ABSTRACT

In this work we compute for the first time the so-called Complete-NLO predictions for top-quark pair hadroproduction in association with at least one isolated photon ($t \overline{t} γ$). We also compute NLO QCD+EW predictions for the similar case with at least two isolated photons ($t \overline{t} γγ$) and for single-top hadroproduction in association with at least one isolated photon. In addition, we complement our results with NLO QCD+EW predictions of the hadronic and leptonic decays of top-quark including an isolated photon. All these results have been obtained in a completely automated approach, by extending the capabilities of the MadGraph5_aMC@NLO framework and enabling the Complete-NLO predictions for processes with isolated photons in the final state. We discuss the technical details of the implementation, which involves a mixed EW renormalisation scheme for such processes.

연구 동기 및 목표

• 최종 상태에 고립 광자가 포함된 과정에 대해 자동화된 NLO QCD 및 전자약 보정을 가능하게 하여, 이는 오랫동안 MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크의 한계였던 사안이다.
• 고립 광자와 함께 토크-쿼크 쌍 및 단일 토크의 강입자 생성에 대해 정밀한 예측을 계산하고자 한다.
• 이러한 과정에서 NLO 전자약 보정의 크기와 구조를 평가하고, 특히 QCD 불확실성 및 천체적 척도 추정치와 비교하고자 한다.
• 교정된 단면적, 분포 및 토크-쿼크 전하 비대칭성과의 상세한 비교를 통해 새로운 구현의 타당성을 검증하고자 한다.

제안 방법

• 고립 광자를 포함한 최종 상태에 대한 Complete-NLO 계산을 지원하기 위해 MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 확장하였다.
• 혼합 전자약 재정규화 체계를 구현: 고립 광자에는 𝛼(0), 기타 전자약 상호작용에는 𝐺𝜇 또는 𝛼(𝑚𝑍)를 적용하였다.
• 콘 기반 알고리즘을 기반으로 한 고립 광자 정의 기준을 사용하여 실험적 검출기 정의와 호환성을 확보하였다.
• 나이브한 1-루프 진폭 계산을 수행하며, 1-루프 다이어그램과 트리-레벨 다이어그램 간의 간섭을 완전히 고려했다.
• fermion 자기에너지 및 Z 보손 전파자에 대해서는 𝐺𝜇 체계를 적용하였고, 고립 광자를 포함한 광자 자기에너지 및 정점 보정에는 𝛼(0)를 사용하였다.
• 𝛼 선택에 따른 수치적 미묘함을 다루기 위해 𝛼𝐺𝜇와 𝛼(0)를 O(𝛼) 보정에서 비교하였으며, 실질적으로 미미한 차이를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고립 광자가 포함된 𝑡̄𝑡𝛾, 𝑡̄𝑡𝛾𝛾, 𝑡𝛾𝑗 생성에서 NLO 전자약 보정의 크기와 구조는 어떠한가?
• RQ2 NLO 전자약 보정은 QCD 불확실성 및 천체적 척도 추정치(𝛼 대 대비 𝛼𝑠)와 어떻게 비교되는가?
• RQ3 전자약 보정은 특히 에너지 스펙트럼의 尾부에서 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 O(𝛼) 보정에서 𝛼의 재정규화 체계 선택(𝛼𝐺𝜇 대 𝛼(0))이 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 NLO 전자약 보정은 𝑡̄𝑡𝛾 및 𝑡̄𝑡𝛾𝛾 최종 상태에서 토크-쿼크 전하 비대칭성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 𝑡̄𝑡𝛾, 𝑡̄𝑡𝛾𝛾, 𝑡𝛾𝑗의 총 단면적에 대한 NLO 전자약 보정은 일반적으로 QCD 불확실성 범위 내에 있으며, 보통 1% 이하이다.
• 𝑡𝛾𝑗 생성에서는 분포의 尾부에서 NLO 전자약 보정이 크기가 커져 QCD 불확실성과 같은 주요 수준에 이르게 된다.
• 𝑡 → 𝑏𝑗𝑗𝛾 및 𝑡 → 𝑏ℓ+𝜈ℓ𝛾의 토크-쿼크 붕괴 모드에 대한 NLO 전자약 보정은 무시할 만큼 작으며, 주로 계산된 1차 예측의 1% 미만이다.
• 톱-쿼크 전하 비대칭도 𝐴𝐶는 NLO QCD 및 NLO 전자약 보정뿐 아니라 고차항 NLO 항들에 의해도 크게 영향을 받으며, QCD 및 EW 효과 간의 비선형적 상호작용이 있음을 시사한다.
• O(𝛼) 보정에서 𝛼의 선택(𝛼𝐺𝜇 대 𝛼(0))이 수치적으로 미미한 영향을 미치며, 자동화된 프레임워크에서 𝛼(0)의 사용이 타당함을 검증한다.
• 광자에 대해선 𝛼(0), 기타 전자약 영역에 대해선 𝐺𝜇/𝛼(𝑚𝑍)를 적용하는 혼합 재정규화 체계의 구현은 기술적으로 가능하며, 고립 광자 최종 상태에 대한 완전한 자동화된 Complete-NLO 예측을 가능하게 한다.