[논문 리뷰] Diphoton production at hadron colliders: transverse-momentum resummation at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy

Leandro Cieri, Francesco Coradeschi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 양자 chromodynamics(QCD) 보정을 소량의 $q_T$ 에서는 고려하고, 고정 순서수 NLO 결과를 큰 $q_T$ 에서는 고려함으로써, 강입자 충돌에서 이광자 생성의 다음 다음 최고 대수적(Next-to-Next-to-Leading) 대수적($q_T$) 운동량 재결합을 제시한다. 계산은 알려진 NNLO 총 단면적과 완전히 일치하며, 고정 순서수 계산이 큰 대수적 증폭으로 인해 실패하는 소량의 $q_T$ 영역에서 LHC 데이터와의 일치도 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We consider the transverse-momentum (qT) distribution of a diphoton pair produced in hadron collisions. At small values of qT , we resum the logarithmically-enhanced perturbative QCD contributions up to next-to-next-to-leading logarithmic accuracy. At intermediate and large values of qT, we consistently combine resummation with the known next-to-leading order perturbative result. All perturbative terms up to order α_S^2 are included in our computation which, after integration over qT, reproduces the known next-to-next-to-leading order result for the diphoton pair production total cross section. We present a comparison with LHC data and an estimate of the perturbative accuracy of the theoretical calculation by performing the corresponding variation of scales. In general we observe that the effect of the resummation is not only to recover the predictivity of the calculation at small transverse momentum, but also to improve substantially the agreement with the experimental data.

연구 동기 및 목표

• 이광자 생성의 소량의 횡운동량($q_T$) 영역에서 큰 대수적 보정으로 인해 고정 순서수 양자장론적 QCD의 붕괴 문제를 해결하기 위해.
• 강입자 충돌에서 이광자 쌍의 $q_T$ 분포에 대해 다음 다음 최고 대수적(Next-to-Next-to-Leading) 정확도까지의 일관된 재결합 형식을 개발하기 위해.
• 소량의 $q_T$ 에서 재결합된 결과를 큰 $q_T$ 에서 알려진 다음 최고 순서수(NLO) 고정 순서수 결과와 매칭하여, NNLO 수준에서 총 단면적과의 일관성을 확보하기 위해.
• 고정 순서수 결과가 $q_T \to 0$ 영역에서 물리적으로 의미 없는 특이점을 보일 때, 이에 대비하여 이론적으로 견고한 예측을 제공하고 LHC 데이터와의 일치도 향상시키기 위해.
• 특히 $q_T$ 스펙트럼과 자세각 분포 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 와 같은 독립적 관측량에 대해 정확한 예측을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Ref. [37, 39, 40] 에서 제시된 횡운동량 재결합 형식을 채택하여, 강입자 충돌에서 고질량 최종 상태에 대해 유효하다.
• 소량의 $q_T$ 영역에서 모든 대수적으로 증폭된 QCD 보정을 다음 다음 최고 대수적(Next-to-Next-to-Leading, NNLL) 정확도까지 재결합한다.
• 소량의 $q_T$ 영역에서 재결합된 결과를 중간 및 큰 $q_T$ 영역에서 고정 순서수 NLO 계산과 일관된 매칭 절차를 통해 조합한다.
• 모든 $q_T$ 에 대해 통합한 결과로 알려진 NNLO 총 단면적을 정확히 재현함으로써 전체 계산의 일관성을 검증한다.
• 백면 대칭 구성 근처에서 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 분포에서 물리적으로 의미 없는 발산을 피하기 위해 이광자 위상공간의 3체 매개변수화를 사용한다.
• 이론적 불확실도는 $\mu_R$, $\mu_F$, 그리고 재결합 스케일의 스케일 변동을 통해 추정하고, 위상공간 매개변수화 불확실성까지 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강입자 충돌에서 이광자 생성의 소량의 $q_T$ 영역에서 대수적으로 증폭된 QCD 보정을 다음 다음 최고 대수적 정확도까지 체계적으로 재결합하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 NNLL 재결합은 특히 고정 순서수 계산이 실패하는 $q_T \to 0$ 영역에서 이광자 쌍의 $q_T$ 스펙트럼에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NNLL+NLO 조합 예측은 LHC 데이터와 어떻게 비교되며, 고정 순서수 NLO 결과보다 일치도가 향상되는가?
• RQ4 재결합은 어떤 정도로 배경 대칭 구성($\Delta\Phi_{\gamma\gamma} \to \pi$) 근처의 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 분포를 안정화시키는가?
• RQ5 재결합과 매칭을 포함한 전체 계산이 알려진 NNLO 이광자 생성 총 단면적을 일관되게 재현할 수 있는가?

주요 결과

• NNLL+NLO 계산은 $q_T \sim 25$ GeV 근처에서 고정 순서수 NLO 결과의 물리적으로 의미 없는 단계적 행동과 대수적 특이점을 효과적으로 제거한다.
• 재결합된 분포는 고정 순서수 NLO 결과가 발산하는 것과는 대조적으로, 배경 대칭 한계 근처에서 매끄럽고 어깨 모양의 구조를 보인다.
• 전체 NNLL+NLO 예측은 전체 $q_T$ 범위에서 ATLAS 데이터와 유의미하게 높은 일치도를 보이며, 특히 소량의 $q_T$ 영역에서 뚜렷한 향상이 있다.
• $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 분포는 재결합으로 안정화되며, 전체 결과는 고정 순서수 NLO 예측보다 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma} \sim \pi$ 근처에서 실험 데이터와 더 잘 일치한다.
• 스케일 변동을 통한 이론적 불확실도는 잘 제어되어 있으며 실험 데이터와 일치하여 계산의 견고성을 검증한다.
• 모든 $q_T$ 에 대해 통합한 결과로 알려진 NNLO 총 단면적이 정확히 재현되며, 재결합 및 매칭 절차의 일관성을 확인한다.