[논문 리뷰] Charge asymmetries of lepton transverse momenta in Drell-Yan processes at the LHC

M. W. Krasny, W. Płaczek|arXiv (Cornell University)|2012. 09. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 Drell-Yan 과정에 대해 WINHAC 행렬 원소 생성기와 PYTHIA 6.4 파arton 쇼워 간 인터페이스에 심각한 결함을 밝혀낸다: LO 행렬 원소에서 효과적인 쿼크/반쿼크의 횡방향 운동량이 잘못 할당되어, 렙톤 횡방향 운동량 ($p_T^l$)의 전하 비대칭도에 심각한 편향이 발생한다. 저자들은 두 가지 매칭 기법—PYTHIA 인터페이스에서 쿼크/반쿼크의 횡방향 운동량을 교환하거나, $W$-보손의 정지 프레임에서 렙톤 운동량의 회전을 생략하는 방식—을 제안하여, NLO QCD 예측(예: MC@NLO)과의 일치를 회복한다. 이는 정밀도 표준모형 측정을 위한 $p_T^l$ 비대칭도 분포의 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

Charged lepton transverse momenta in the Drell-Yan processes play an important role at the LHC in precision measurements of the Standard Model parameters, such as the W-boson mass and width, their charge asymmetries and sin^2(theta_W). Therefore, their distributions should be described as accurate as possible by the Monte Carlo event generators. In this paper we discuss the problem of matching the hard-process kinematics of the Monte Carlo generator WINHAC with the parton-shower kinematics of the PYTHIA 6.4 generator while interfacing these two programs. We show that improper assignment of the quark and antiquark effective momenta in the LO matrix element computations may affect considerably the predicted lepton transverse momenta and even completely reverse their charge asymmetries at the LHC. We propose two matching schemes in which the NLO QCD distributions of the leptonic kinematical variables can be well reproduced by the LO WINHAC generator.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 Drell-Yan 과정에 대해 WINHAC의 LO 행렬 원소 생성기와 PYTHIA 6.4 파arton 쇼워 간의 잘못된 운동량 매칭으로 인해 발생하는 렙톤 횡방향 운동량 ($p_T^l$) 전하 비대칭도의 정확도 결함을 해결하기 위해.
• LO 행렬 원소 계산에서 효과적인 쿼크 및 반쿼크의 횡방향 운동량이 잘못 할당되어 $p_T^l$ 분포와 그 전하 비대칭도에 편향이 발생하는 문제를 해결하기 위해.
• NLO QCD 예측을 재현하는 매칭 기법을 개발하고 구현하여 $p_T^l$ 및 전하 비대칭도 분포의 정확도를 확보하고, 정밀도 표준모형 측정에 신뢰할 수 있는 입력을 제공하기 위해.
• 행렬 원소 단계와 파arton 쇼워 단계에서 스핀 상관관계를 올바르게 유지함으로써 Drell-Yan 과정에서의 $W$-보손 편광 효과를 정확하게 시뮬레이션하기 위해.

제안 방법

• 저자들은 WINHAC의 LO 행렬 원소와 PYTHIA 6.4의 파arton 쇼워 간의 운동량 불일치를 분석하며, 효과적인 쿼크 및 반쿼크의 횡방향 운동량 할당에 초점을 맞춘다.
• 매칭 기법을 제안하여, 이벤트별로 PYTHIA 인터페이스에서 효과적인 온셸 쿼크와 반쿼크의 횡방향 운동량을 교환함으로써 $p_T^l$ 비대칭도 편향을 수정한다.
• 또한, $W$-보손의 정지 프레임에서 탈출하는 렙톤 운동량의 회전을 생략하는 두 번째 기법을 제안하여, 초기 상태 파arton 쇼워의 헬리시티 구성을 유지한다.
• 이러한 기법들은 MC@NLO 및 MCFM의 NLO QCD 예측과 일치하도록 보장하기 위해 WINHAC 생성기의 새로운 버전에 구현된다.
• 새로운 기법의 성능은 전체 및 제한된 위상공간에서 MC@NLO 결과와의 비교를 통해 $p_T^l$ 및 의사속도($\eta_l$) 전하 비대칭도 분포를 통해 검증된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 표준 PYTHIA 6.4 파arton 쇼워 인터페이스가 Drell-Yan 과정에서 LHC에서 잘못된 렙톤 횡방향 운동량 전하 비대칭도를 생성하는가?
• RQ2 LO 행렬 원소 계산에서 효과적인 쿼크 및 반쿼크의 횡방향 운동량이 잘못 할당되면 $p_T^l$ 분포와 그 전하 비대칭도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 예를 들어 쿼크/반쿼크의 횡방향 운동량을 교환하거나 렙톤 운동량의 회전을 생략하는 등의 간단한 인터페이스 수정이 NLO QCD 예측과의 일치를 회복할 수 있는가?
• RQ4 $W$-보손의 편광, 즉 스핀 밀도 행렬에 의해 표현되는 바, 관측된 편향에 어떤 역할을 하는가? 그리고 이는 행렬 원소와 파arton 쇼워 단계 간에 어떻게 정확히 유지될 수 있는가?

주요 결과

• WINHAC와 PYTHIA 6.4 간 원래의 인터페이스는 PYTHIA의 기본 효과적인 쿼크 횡방향 운동량을 사용하여, NLO QCD 예측과 비교해 볼 때 $p_T^l$ 전하 비대칭도가 심각하게 편향되고 심지어 반전되는 결과를 낳는다.
• 이벤트별로 효과적인 쿼크와 반쿼크의 횡방향 운동량을 교환하는 방식의 매칭 기법은 전체 및 제한된 위상공간에서 $p_T^l$ 및 $\eta_l$ 전하 비대칭도 모두에서 MC@NLO 결과와 뛰어난 일치도를 보인다.
• 레프톤 운동량을 $W$-보손 정지 프레임에서 회전시키지 않는 방식의 기법 역시 MC@NLO 결과와의 일치도를 향상시킨다. 다만, 운동량 교환 기법보다는 약간 낮은 효과를 보이며, 초기 상태 파arton 쇼워의 헬리시티를 유지하는 데 해당한다.
• WINHAC에 구현된 새로운 매칭 기법은 NLO QCD의 렙톤 운동량 변수 분포를 정확히 재현하여, $W$-보손 질량과 $\sin^2\theta_W$ 측정에서 심각한 시스템적 오차의 원인을 수정한다.
• 결과적으로, 스핀-1 중간 입자에 대해 행렬 원소와 파arton 쇼워 간 운동량 매칭을 올바르게 수행하는 것이, 정밀도 시뮬레이션과 LHC에서의 정밀도 측정을 위해 필수적임을 보여준다.