[논문 리뷰] Isolated photon production in association with a jet pair through next-to-next-to-leading order in QCD

Simon Badger, M. Czakon외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 13.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 양성자-양성자 충돌에서 고립된 광자와 이제트 생성에 대한 최초의 다음 다음 주요 순서(NNLO) QCD 계산을 보고한다. 이 계산은 주요 색상 근사 없이 정확한 오목 다섯 점 두 루프의 가상 진폭을 사용한다. 결과적으로, 저차수 계산 및 파arton-쇼어 매칭 예측보다 ATLAS 데이터와 더 잘 일치하며, 척도 불확도 내에서 부차적 색상 기여는 무시할 만큼 작다.

ABSTRACT

In this work, we provide a comprehensive set of differential cross-section distributions for photon + di-jet production in proton-proton collisions with next-to-next-to-leading order precision in massless QCD. The event selection corresponds to recent measurements by the ATLAS collaboration. We observe an improved description of data in comparison to lower-order calculations in the case of observables that are expected to be well described by perturbation theory. The results also show better agreement with data than parton-shower-matched and multi-jet-merged predictions generated for the ATLAS analysis using the extsc{Sherpa} Monte Carlo. A particular highlight of our study is the use of exact five-point two-loop virtual amplitudes. This is the first calculation of a complete two-to-three hadron-collider process at next-to-next-to-leading order in QCD that does not rely on the leading-colour approximation at two loops. We demonstrate, nevertheless, that the sub-leading-colour effects present in the infrared- and ultraviolet-finite double-virtual contributions are negligible in view of the remaining scale uncertainties.

연구 동기 및 목표

• 무질량 QCD에서 고립된 광자 + 이재트 생성의 미분 단면적 분포를 NNLO에서 계산하기 위해.
• 두 루프에서 주요 색상 근사 없이 완전한 2→3 하드론 충돌 과정에 대해 정밀도 계산을 제공하기 위해.
• 이중 가상 진폭에서의 부차적 색상 기여가 물리적 관측량에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• NNLO 예측을 ATLAS 실험 데이터 및 기존의 파톤-쇼어 매칭 또는 통합 몬테카를로 결과와 비교하기 위해.
• 현상학적으로 관련된 고다중도 QCD 과정에서 정확한 두 루프 오목 다섯 점 진폭의 사용을 검증하기 위해.

제안 방법

• 모멘텀 투이스트 변수를 사용한 유니티 기반 접근법으로 정확한 두 루프 오목 다섯 점 진폭을 활용하기 위해.
• 모멘텀 투이스트 형식에서 손실된 스피너 정보를 복원하기 위해 헬리시티에 의존하는 스피너-위상 인자를 도입하기 위해.
• 부분 진폭에 대한 페어리티 변환 및 모멘텀 순열 연산을 체계적으로 수행하기 위한 알고리즘을 구현하기 위해.
• 물리적 단면적을 위한 제곱 행렬 요소를 계산하기 위해 복소수 켤레 및 페어리티 연산을 적용하기 위해.
• 헬리시티별 계수를 포함한 펜타곤 함수와 초월 상수의 합으로 전체 진폭을 구성하기 위해.
• 해석적 일관성 검증 및 다양한 외부 모멘텀 순서에서의 명시적 순열 관계를 통해 방법을 검증하기 위해.

Figure 1: Representative two-loop Feynman diagrams for the $0\to\bar{q}qgg\gamma$ partonic process, together with the partial amplitudes they contribute to.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 가상 두 루프 진폭에서의 부차적 색상 기여가 고립된 광자 + 이재트 생성에서 최종 물리적 관측량에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ2 주요 색상 근사 없이 하드론 충돌기에서 2→3 과정에 대해 완전한 NNLO QCD 계산을 달성할 수 있는가?
• RQ3 ATLAS 실험 데이터와의 비교에서, 고립된 광자 + 이재트 생성에 대한 NNLO 예측은 어떤 미분 분포에서 잘 일치하는가?
• RQ4 정확한 두 루프 가상 진폭이 양자 색역학 예측의 이론적 불확도와 수렴성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 ATLAS 분석에서 사용된 파톤-쇼어 매칭 및 다중 제트 통합 몬테카를로 예측과 결과는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 정확한 두 루프 오목 다섯 점 진폭을 사용하여 양성자-양성자 충돌에서 고립된 광자 + 이재트 생성에 대해 NNLO 정밀도를 달성하였다.
• 두 루프에서 주요 색상 근사 없이 2→3 하드론 충돌 과정에 대해 완전한 첫 번째 NNLO QCD 결과를 제시하였다.
• 이중 가상 기여에서의 부차적 색상 효과는 나머지 척도 불확도에 비해 무시할 만큼 작다.
• NNLO 예측은 특히 양자장 이론으로 잘 기술될 것으로 예상되는 관측량에서 ATLAS 데이터와 더 잘 일치한다.
• 저차수 계산 및 Sherpa 기반의 파톤-쇼어 매칭/다중 제트 통합 예측보다 데이터를 더 잘 기술한다.
• 모멘텀 투이스트 변수와 헬리시티에 의존하는 위상 인자를 조합함으로써 전체 진폭의 강력하고 효율적인 해석적 계산이 가능해졌다.

Figure 2: Representative two-loop Feynman diagrams for the $0\to q\bar{q}Q\bar{Q}\gamma$ partonic process, together with the partial amplitudes they contribute to.