[논문 리뷰] Automated Neutrino Jet and Top Jet Predictions at Next-to-Leading-Order with Parton Shower Matching in Effective Left-Right Symmetric Models

Olivier Mattelaer, Manimala Mitra외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 68인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 효과적 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(LRSM)에서 파arton 쇼어와 매칭된 다음차순보정(NLO) QCD 보정을 자동화한 프레임워크를 제시한다. 이는 LHC 및 향후 100 TeV VLHC와 LHeC에서 $W_R^\pm$, $Z_R$, 그리고 무거운 메이조라나 중성자($N$) 생성에 대한 정밀 예측을 가능하게 한다. 주요 발견은 $W_R$ 붕괴에서 유래한 중성자 제트가 파톤 쇼어 및 QCD 복사 효과에 대해 강건하여, 심한 운동량 절단을 가해도 신호 손실이 최소화된다는 것이다. 이는 토프 제트와는 달리, 하드 복사로 인해 크게 변형되는 것과 대조된다.

ABSTRACT

Hadronic decays of boosted resonances, e.g., top quark jets, at hadronic super colliders are frequent predictions in TeV-scale extensions of the Standard Model of Particle Physics. In such scenarios, accurate modeling of QCD radiation is necessary for trustworthy predictions. We present the automation of fully differential, next-to-leading-order (NLO) in QCD corrections with parton shower (PS) matching for an effective Left-Right Symmetric Model (LRSM) that features $W_R^\pm, Z_R$ gauge bosons and heavy Majorana neutrinos $N$. Publicly available universal model files require remarkably fewer user inputs for predicting benchmark collider processes than leading order LRSM constructions. We present predictions for inclusive $W_R^\pm, Z_R$ production at the $\sqrt{s} = 13$ TeV Large Hadron Collider (LHC) and a hypothetical future 100 TeV Very Large Hadron Collider (VLHC), as well as inclusive $N$ production for a hypothetical Large Hadron Electron Collider (LHeC). As a case study, we investigate at NLO+PS accuracy the properties of heavy neutrino (color-singlet) jets and top quark (color-triplet) jets from decays of high-mass $W_R$ bosons at the LHC. Contrary to top jets, we find that the kinematic properties of heavy neutrinos jets, and in particular jet mass, are resilient against the effects of parton showers and hard QCD radiation. This suggests that in searches for neutrino jets, aggressive selection cuts that would otherwise be inappropriate for top jets can be imposed with minimal signal loss.

연구 동기 및 목표

• NLO QCD 보정과 파톤 쇼어 매칭을 포함한 완전 자동화되고 공개 가능한 효과적 왼쪽-오른쪽 대칭 모형(LRSM)을 개발하기 위해.
• 13 TeV LHC와 향후 100 TeV VLHC 및 LHeC에서 $W_R^\pm$, $Z_R$, 그리고 무거운 메이조라나 중성자($N$) 생성에 대한 정밀한 미분 예측을 가능하게 하기 위해.
• 고질량 $W_R$ 붕괴에서 유래한 토프 쿼크 제트와 중성자 제트의 운동학적 분포에 대한 QCD 복사 및 파톤 쇼어 효과의 영향을 조사하기 위해.
• FeynRules, NLOCT, 및 MG5_aMC@NLO를 사용하여 사용자 친화적이고 최소 입력이 필요한 프레임워크를 제공하여 LRSM에서의 충돌기 현상학을 위한 응용을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 효과적 LRSM을 FeynRules(FR) 프레임워크에 구현하여 통합 모델 파일(UFO)을 생성함으로써 자동 모델 배포를 가능하게 하였다.
• MG5_aMC@NLO 프레임워크를 사용하여 파톤 쇼어 매칭(PS)을 수행하고, $pp \to W_R^\pm, Z_R$, 및 $pp \to N$ 과정에 대해 완전한 미분 NLO QCD 보정을 계산하였다.
• 모델은 $W_R^\pm$, $Z_R$, 그리고 무거운 메이조라나 중성자 $N$을 포함하며, $W_R \to N\ell^\pm$ 및 $N \to \ell^\pm W_R^{\mp*} \to \ell^\pm q\bar{q}'$ 붕괴를 수반한다.
• 스핀 관련 붕괴를 위해 개선된 MadSpin을 사용하여 하드 행렬 요소와 함께 전체 스핀 상관관계를 유지하였다.
• MG5_aMC@NLO의 cuts.f 파일을 수정하여 생성기 수준 절단을 구현하였으며, 최종 상태의 토프 쿼크 및 $N$ 입자에 대해 $p_T > 750$ GeV 조건을 적용하였다.
• 이 프레임워크는 하드론-하드론($pp$) 및 하드론-전자($ep$) 충돌을 모두 지원하여 LHC, VLHC, LHeC에서의 시뮬레이션을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 $W_R$ 붕괴에서 유래한 토프 쿼크 제트의 운동학적 분포는 NLO QCD 보정과 파톤 쇼어 효과로 인해 어떻게 변화하는가?
• RQ2 $W_R \to N\ell^\pm$ 붕괴에서 파톤 쇼어 및 하드 QCD 복사로 인해 중성자 제트의 특성, 특히 제트 질량은 어느 정도 영향을 받는가?
• RQ3 중성자 제트에 대해 QCD 복사로 인한 신호 손실이 적기 때문에, 토프 제트 분석과 달리 심한 선택 절단을 적용할 수 있는가?
• RQ4 NLO 보정과 PS 매칭을 포함함으로써, LRSM에서 $W_R$, $Z_R$, 및 $N$ 생성에 대한 충돌기 예측의 신뢰도는 어떻게 향상되는가?
• RQ5 자동화되고 최소 입력이 필요한 모델 프레임워크는 NLO+PS 정확도에서 포함 횡단면과 미분 분포를 예측하는 데 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• 중성자 제트는 파톤 쇼어 및 하드 QCD 복사로 인한 영향을 최소화하며, 특히 제트 질량 분포에서 뚜렷한 왜곡이 없음을 보였다.
• 반대로, 토프 쿼크 제트는 파톤 쇼어가 포착하지 못하는 광역면에서의 최종 상태 복사로 인해 운동학적 분포가 크게 이동하며, 제트 질량과 $p_T$ 분포에 상당한 변화가 있었다.
• 중성자 제트의 운동학적 강건성 덕분에, $p_T > 750$ GeV와 같은 심한 선택 절단을 적용해도 신호 손실이 최소화되며, 이는 토프 제트 분석과는 대조된다.
• 자동화된 프레임워크는 13 TeV LHC 및 향후 100 TeV VLHC와 LHeC에서 $W_R^\pm$, $Z_R$, 및 $N$ 생성에 대해 정확한, 미분적 NLO+PS 예측을 달성하였다.
• 공개된 통합 모델 파일(UFO) 덕분에, 전통적인 LO 전용 LRSM 구성에 비해 사용자 입력 요구 사항이 크게 감소하였다.
• 이 연구는 $W_R \to N\ell^\pm$ 붕괴가 뚜렷하고 안정적인 제트 서명을 생성하며, 고에너지 충돌 실험에서 중성자 질량이 큰 메이조라나 중성자를 발견하는 데 유망하다는 것을 확인하였다.