[논문 리뷰] B-hadron hadro-production in NNLO QCD: application to LHC $t\bar{t}$ events with leptonic decays

M. Czakon, Terry Generet외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 35인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자 chromodynamics(QCD)에서 2차 고차원(Next-to-Next-to-Leading Order, NNLO)으로 B-하드론 생성을 완전히 미분형식으로 계산한 최초의 결과를 제시한다. 이는 미분형식의 분해 함수 기반에 기반한 유연한 수치적 프레임워크를 사용한다. 이 형식은 LHC에서의 토퍼 쿼크 쌍 생성 사건에 적용되어, 토퍼 쿼크 질량 측정에 필수적인 B-하드론 분포에 대한 정밀 예측을 제공하며, LHC 데이터로부터 분해 함수를 추출하는 데에도 기여한다.

ABSTRACT

We calculate, for the first time, the NNLO QCD corrections to identified heavy hadron production at hadron colliders. The calculation is based on a flexible numeric framework which allows the calculation of any distribution of a single identified heavy hadron plus jets and non-QCD particles. As a first application we provide NNLO QCD predictions for several differential distributions of $B$ hadrons in $t\bar t$ events at the LHC. Among others, these predictions are needed for the precise determination of the top quark mass. The extension of our results to other processes, like open or associated $B$ and charm production is straightforward. We also explore the prospects for extracting heavy flavor fragmentation functions from LHC data.

연구 동기 및 목표

• 양자 chromodynamics(QCD)에서의 고차원 보정을 이용해, 양자 입자 충돌에서 식별된 B-하드론 생성에 대해 최초로 NNLO 수준의 보정을 계산한다.
• 단일 식별된 무거운 하드론과 제트, 비-QCD 입자를 포함한 분포를 계산할 수 있는 유연한 수치적 프레임워크를 개발한다.
• 이 프레임워크를 LHC에서의 토퍼 쿼크 쌍 생성 및 붕괴에 적용하여, 토퍼 쿼크 질량 결정에 관련된 B-하드론 관측량에 중점을 둔다.
• 제안된 형식을 사용하여 LHC 데이터로부터 B-하드론 분해 함수를 추출하는 것이 가능한지 탐색한다.
• 정밀한 점검을 통해 계산 설정을 검증한다. 이는 e⁺e⁻ 충돌에서의 해석 결과와의 비교 및 토퍼 쿼크 붕괴에서의 운동량 합 규칙 검증을 포함한다.

제안 방법

• 고속도 영역에서 큰 로그 항을 재수열하기 위해 질량이 없는 미분형식의 분해 함수(PFF) 형식을 사용한다. 이는 토퍼 쿼크 쌍 생성과 같은 큰 하드 스케일을 가진 과정에 대해 유효하다.
• pp → t¯t + X → B + X에서 NNLO QCD 수준에서 모든 부분자 채널과 공선 보정항을 포함한 완전히 미분형식의 단면적을 계산할 수 있는 수치적 프레임워크를 구현한다.
• b 쿼크가 B-하드론으로 분해되는 과정을 모델링하기 위해 NNLO 수준의 FFKM 분해 함수를 사용한다. 이는 페르미온의 전개와 일관성을 확보한다.
• t¯t 사건에서 B-하드론의 미분형식 분포를 계산하기 위해 이 형식을 적용한다. 예를 들어, 횡방향 운동량 및 에너지 스펙트럼 등을 포함한다.
• 두 가지 핵심 점검을 수행한다: (1) e⁺e⁻ 충돌에서 B-하드론 에너지 스펙트럼을 정확한 해석 결과와 비교하고, (2) 토퍼 쿼크 붕괴에서 운동량 합 규칙을 검증한다.
• NNLO 프레임워크를 활용하여 LHC 데이터로부터 B-하드론 분해 함수를 추출하는 데 적합한 새로운 관측량을 정의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 식별된 B-하드론 생성에 대해, 수치적 프레임워크를 사용하여 NNLO QCD 보정을 신뢰성 있게 계산할 수 있는가?
• RQ2 NNLO QCD 보정은 LHC에서의 토퍼 쿼크 쌍 생성 사건에서 B-하드론의 미분형식 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 형식을 사용하여 LHC 데이터로부터 B-하드론 분해 함수를 얼마나 정확히 추출할 수 있는가?
• RQ4 수치적 구현이 알려진 해석 결과 및 물리적 합 규칙(예: 토퍼 쿼크 붕괴에서의 운동량 보존)을 정확히 재현하는가?

주요 결과

• e⁺e⁻ 충돌에서 B-하드론 생성에 대한 NNLO 수준의 수치적 계산 결과는 전체 운동역학 범위에서 몬테카를로 통계 오차 범위 내에서 정확한 해석 결과와 일치한다.
• 토퍼 쿼크 붕괴에서 운동량 합 규칙은 순수한 NNLO 수준에서 약 3% 이내의 수치 정밀도로 만족되며, 계수 함수 계산의 정확성을 확인한다.
• 프레임워크는 LHC에서의 t¯t 사건에서 B-하드론의 완전히 미분형식의 분포를 성공적으로 계산하였으며, 모든 운동역학적 및 스케일 의존성 요소가 NNLO 수준에서 정확히 반영되었다.
• 큰 토퍼 쿼크 질량은 자연스러운 하드 스케일을 제공하여, (mb)^n 수준의 고차 항은 무시할 수 있을 정도로 작다. 이는 본 문맥에서 질량이 없는 b 쿼크 PFF 형식의 사용이 타당함을 입증한다.
• 이 연구는 LHC 데이터로부터 B-하드론 분해 함수를 추출하는 데 매우 적합한 새로운 관측량을 식별하였다.
• 이 프레임워크는 개방형 또는 연관형 B 및 쿼크 생성 과정으로의 확장이 간편하여, 향후 다양한 무거운 쿼크 과정에 대한 응용이 가능하다.