[논문 리뷰] Further exploration of top pair hadroproduction at NNLO

M. Czakon, Paul Fiedler외 2명|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 양성동역학에서 다음다음최고순서(NNLO)에서 토프 쿼크 쌍 생성의 현상학적 분석을 상세히 제시한다. 주요 초점은 스케일 의존성, 고차항 수렴성, 소프트 글루온 재결합 효과이다. NNLO 계산이 이론적 불확실성을 크게 감소시킴을 보여주며, NNLO와 소프트 글루온 재결합을 조합하면 LHC 에너지 전역에서 스케일 불변인 단면적 예측이 가능해져 표준모형 검증 및 표준모형을 초월한 물리 현상 탐색의 정밀도가 향상된다.

ABSTRACT

Top quark pair production is one of the cornerstones of the physics program at hadron colliders. In this contribution, we further explore the phenomenological implications of the recent NNLO calculation of the total inclusive cross-section. We provide a comparison of the scale dependence of the top pair hadroproduction cross section at different perturbative orders and study its perturbative convergence (with and without soft-gluon resummation). We also sketch how the NNLO top quark cross-section could be used to improve searches of physics beyond the Standard Model.

연구 동기 및 목표

• NNLO에서의 토프 쿼크 쌍 생성 단면적의 스케일 의존성과 고차항 수렴성을 분석하기 위해.
• 다양한 LHC 에너지에서 소프트 글루온 재결합이 이론적 불확실성에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고정밀도 NNLO 토프 쿼크 단면적 예측이 표준모형을 초월한 물리 현상(BSM) 탐색에 어떻게 기여할 수 있는지 탐색하기 위해.
• 이전에 발표된 바가 없던 $gg$-기반 채널에서의 충돌 가열 인자 기여 및 스케일 의존성 항목에 대한 명시적 표현을 제공하기 위해.
• NNLO 단면적 예측이 부분형 분포 함수(PDF) 제약 및 스토퍼 쿼크와 같은 BSM 공명에 대한 감도 향상에 어떻게 활용될 수 있는지 보여주기 위해.

제안 방법

• 연구는 전체 NNLO 총 포함 토프 쿼크 쌍 생성 단면적 계산을 사용하며, $\overline{\text{MS}}$-제거된 부분형 단면적에서 유도된 $\sigma^{(2,1)}_{gg}$ 및 $\sigma^{(2,2)}_{gg}$와 같은 $gg$-기반 채널의 스케일 의존성 항목에 대한 명시적 해석적 표현을 포함한다.
• 고차항 수렴성은 NLO, NNLO, 소프트 글루온 재결합(NLL/NNLL)에서의 단면적 스케일 의존성을 비교함으로써 평가되며, 다섯 개의 활성 플레이버를 가진 $\overline{\text{MS}}$ 결합 상수를 사용한다.
• 부분형 플럭스 및 루미너시 함수는 $\beta \in (0,1)$ 범위 내 80개의 $\beta$-점에서 수치적으로 계산되며, 분열 함수 $P^{(0)}_{gg}$, $P^{(1)}_{gg}$, $P^{(0)}_{qg}$를 포함한 컨볼루션을 수행한다.
• 연구는 NNLO+NNLL 토프 쿼크 단면적을 계산하기 위해 Top++2.0 프로그램과 NLO에서의 스토퍼 쿼크 생성을 위해 Prospino2.1을 사용하여 신호 및 배경 비율 간의 상호 비교를 가능하게 한다.
• 8 TeV와 14 TeV에서의 단면적 이중 비율을 계산하여 이론적 정밀도와 실험적 접근 가능성 평가를 수행하며, 스케일 및 PDF 효과의 상쇄로 불확실성을 최소화한다.
• 스토퍼와 토프 쿼크 쌍 생성 단면적 비율과 그 에너지 의존성을 평가하여, 작은 신호 대 배경 비율에도 불구하고 BSM 역학에 대한 감도를 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NNLO 보정을 포함함으로써 토프 쿼크 쌍 생성 단면적의 스케일 의존성과 고차항 수렴성은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 소프트 글루온 재결합은 다양한 LHC 중심질량 에너지에서 스케일 불확실성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 고정밀도 NNLO 토프 쿼크 단면적 예측은 대규모 $x$ 영역의 글루온 PDF 결정을 향상시키고, 이로 인해 BSM 탐색에 어떻게 기여할 수 있는가?
• RQ4 8 TeV와 14 TeV에서의 토프+스토퍼 대 토프 단독 단면적 이중 비율을 사용한 BSM 신호 탐지의 이론적 및 실험적 타당성은 어떠한가?
• RQ5 스토퍼 질량에 따라 스토퍼-토프 단면적 비율은 어떻게 변하고, 이는 어떤 정도로 BSM 역학에 민감한가? 특히 토프 파트너 탐색의 맥락에서.

주요 결과

• NLO 대비 NNLO 보정을 포함함으로써 토프 쿼크 쌍 생성 단면적의 스케일 의존성이 두 배 이상 감소하여 이론적 정밀도가 크게 향상된다.
• NNLL 수준의 소프트 글루온 재결합은 스케일 불확실성을 추가로 억제하여, 생성 임계점 근처를 제외하고는 충돌기 에너지에 거의 영향을 받지 않는 거의 불변의 상태로 만든다.
• 이중 비율 $R_{14/8}({\rm top+stop})/R_{14/8}({\rm top})$는 최대 몇 퍼밀 이내에 머무르며, 작은 신호 크기로 인해 실험적으로 접근이 불가능하다.
• 스토퍼 질량이 토프 쿼크 질량과 가까울 경우, 스토퍼 대 토프 단면적 비율은 약 15%이며, 스토퍼 질량이 증가함에 따라 급격히 감소한다.
• 글로벌 PDF 피팅에 NNLO 토프 쿼크 데이터를 활용하면 대규모 $x$ 영역의 글루온 PDF 결정이 향상되며, 이는 특히 토프 쿼크로 붕괴하는 무거운 공명에 대한 BSM 예측 정밀도 향상에 기여한다.
• 비록 부분형 루미너시가 유사하더라도, 토프 쿼크와 스토퍼 쿼크의 질량 스케일링 차이로 인해 BSM 역학에 대한 일부 감도가 유지되며, 동일한 부분형 과정에서 시작된 경우에도 마찬가지다.