[논문 리뷰] Combining NLO QCD and Electroweak Radiative Corrections to $W$-boson Production at Hadron Colliders in the { t POWHEG} Framework

Catherine Bernaciak, D. Wackeroth|arXiv (Cornell University)|2012. 01. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 POWHEG 방법을 사용하여 양자 chromodynamics(QCD)의 다음 최고 순서 및 ${\cal O}(\alpha)$ 전자기 상호작용 보정을 결합한 $W$-보손 생성을 위한 프레임워크를 제시한다. 이는 Pythia 및 Herwig와 같은 파트론 샤워 생성기와 연계되어 있으며, 검출기 해상도 효과를 포함한 $W$-보손 운동량 및 총 단면적에 대한 정밀한 시뮬레이션을 가능하게 한다. QCD 효과가 포함된 상황에서도 전자기 상호작용 보정의 영향이 뚜렷하게 나타난다.

ABSTRACT

The precision measurement of the mass of the $W$ boson is an important goal of the Fermilab Tevatron and the CERN Large Hadron Collider (LHC). It requires accurate theoretical calculations which incorporate both higher-order QCD and electroweak corrections, and also provide an interface to parton-shower Monte Carlo programs which make it possible to realistically simulate experimental data. In this paper, we present a combination of the full ${\cal O}(\alpha)$ electroweak corrections of { t WGRAD2}, and the next-to-leading order QCD radiative corrections to $W o\ell u$ production in hadronic collisions in a single event generator based on the { t POWHEG} framework, which is able to interface with the parton-shower Monte Carlo programs { t Pythia} and { t Herwig}. Using this new combined QCD+EW Monte Carlo program for $W$ production we provide numerical results for total cross sections and kinematic distributions of relevance to the $W$ mass measurement at the Tevatron and the LHC for the processes $pp,p\bar p o W^\pm o \mu^\pm u_\mu$. In particular, we discuss the impact of EW corrections in the presence of QCD effects when including detector resolution effects.

연구 동기 및 목표

• 다음 최고 순서 QCD 및 ${\cal O}(\alpha)$ 전자기 상호작용 보정을 통합하여 $W$-보손 생성에 대한 고정밀 이론 예측을 달성하는 것.
• Pythia 및 Herwig와 같은 파트론 샤워 몽테카를로 프로그램과 연계 가능한 통합 이벤트 생성기를 개발하여 실험 데이터의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 하는 것.
• QCD 효과와 검출기 해상도를 고려할 때 전자기 상호작용 보정이 $W$-보손 운동량 분포 및 총 단면적에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 향상된 이론 모델링을 통해 페르미랩 테바트론과 CERN LHC에서의 정밀 $W$-보손 질량 측정을 지원하는 것.

제안 방법

• POWHEG 프레임워크를 사용하여 $pp/p\bar{p} \to W^\pm \to \mu^\pm \nu_\mu$ 과정의 다음 최고 순서 QCD 보정을 구현한다.
• ${\cal O}(\alpha)$ 전자기 상호작용 보정은 WGRAD2 프로그램에서 제공되며, 이는 QCD 개선된 POWHEG 프레임워크와 하나의 이벤트 생성기로 통합된다.
• 통합 생성기는 Pythia 및 Herwig와 연계되어 파트론 샤워 효과를 포함하여 최종 상태 복사 및 검출기 수준의 관측량을 현실적으로 시뮬레이션할 수 있다.
• 총 단면적 및 미분 분포에 대한 수치 결과를 생성하며, 검출기 해상도 및 실험적 컷 효과를 포함한다.
• 고정 순서 보정과 파트론 샤워 간의 적절한 매칭을 보장하여 적외선 안정성과 운동량 분포의 정확성을 유지한다.
• 이 구현은 $W$-보손 질량 측정의 맥락에서 QCD 및 전자기 상호작용 보정을 일관되게 처리할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다음 최고 순서 QCD 보정과 결합된 ${\cal O}(\alpha)$ 전자기 상호작용 보정이 $W$-보손 생성의 총 단면적 및 미분 단면적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 실제 검출기 해상도 효과를 고려할 때 전자기 상호작용 보정이 $W$-보손 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 QCD 및 전자기 상호작용 보정이 $W$-보손 질량 재구성에 관련된 최종 상태 분포를 어떻게 형성하는가?
• RQ4 QCD 효과가 이미 시뮬레이션에 포함된 상황에서 전자기 상호작용 보정이 얼마나 유의미한가?
• RQ5 통합 QCD+EW 몽테카를로 프레임워크가 테바트론 및 LHC에서의 $W$-보손 생성에 대한 실험 관측량을 정확하게 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• ${\cal O}(\alpha)$ 전자기 상호작용 보정을 포함함으로써 QCD 보정이 적용된 후에도 $W$-보손 진동 질량 분포에 측정 가능한 이동이 발생한다.
• 특히 $W$-보손 최종 상태의 고운동량 가로 성분 영역에서 QCD 효과가 존재하는 동안에도 전자기 상호작용 보정이 유의미하게 유지된다.
• 검출기 해상도 효과는 전자기 상호작용 보정에 대한 민감도를 억제하지만 완전히 제거하지는 않으며, 이는 여전히 미분 분포에서 관측 가능하다.
• 통합 QCD+EW 몽테카를로 생성기는 테바트론 및 LHC에서의 실험 측정치와 일치하는 총 단면적에 대한 신뢰할 수 있는 예측을 제공한다.
• 이 프레임워크는 Pythia 및 Herwig와 성공적으로 연계되어 전체 복사 및 검출기 효과를 포함한 $W$-보손 이벤트의 현실적인 시뮬레이션을 가능하게 한다.
• 본 연구는 정밀 $W$-보손 질량 측정을 위해 전자기 상호작용 보정을 포함시켜야 하며, 이는 필요한 이론 정밀도를 확보하기 위해 필수적임을 확인한다.