[논문 리뷰] Jet cross sections at the LHC with NNLOJET

James Currie, A. Gehrmann–De Ridder외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 13인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 2점검출기 및 단일 점검출기 포함 생성에 대해 다음다음주역도(NNLO) QCD 계산을 수행할 때 인과성 인과 및 재규격화 스케일 선택에 대한 체계적인 연구를 제시한다. NNLOJET 프레임워크를 사용하여, 2점검출기 생성에 대해 $\mu = m_{jj}$가 최적의 스케일임을 밝히고, 단일 점검출기 포함 생성에 대해 $\mu = 2p_{\mathrm{T}}$가 수렴성과 안정성 측면에서 최적임을 규명하였다. 이는 이론적 불확실성을 크게 감소시키고, 7 및 13 TeV에서 ATLAS 및 CMS 데이터와의 일치도를 향상시켰다.

ABSTRACT

We review the status of NNLO calculations for jet cross sections at the LHC. In particular, we describe how perturbative stability and convergence can be used as criteria to select the most appropriate scales in the theoretical description of di-jet and single jet inclusive production.

연구 동기 및 목표

• 이전에 PDF 피팅에 활용이 어려워지게 했던 NNLO 점검출기 단면적의 중심 스케일 선택에 대한 모호성을 해결하기 위해.
• NNLO에서 2점검출기 및 단일 점검출기 포함 생성에 대해 다양한 스케일 선택의 페르투르바티브 수렴성과 안정성을 평가하기 위해.
• 전체 운동역학적 범위에서 안정적이고, 양수이며 정확한 예측을 제공하는 이론적으로 타당한 스케일 선택을 규명하기 위해.
• 스케일 불확실성을 감소시켜 정밀 현상학적 연구를 가능하게 하고, NNLO 글로벌 PDF 피팅 및 QCD 매개변수 결정을 촉진하기 위해.
• 7 및 13 TeV에서 ATLAS 및 CMS 실험 데이터와의 상세한 비교를 통해 스케일 선택을 검증하기 위해.

제안 방법

• 인프라레드 특이성을 처리하기 위해 앤티나 빼기 방법을 사용하는 NNLOJET 프레임워크를 활용하여, 파르톤 수준의 이벤트 생성기를 구현하였다.
• 모든 파르톤 채널을 포함하고 주색상 및 주 $N_F$ 항에 국한하여, 2점검출기 및 단일 점검출기 포함 생성에 대해 전체 NNLO 보정을 계산하였다.
• 페르투르바티브 안정성과 수렴성을 평가하기 위해, $\mu = m_{jj}$, $\mu = \langle p_T \rangle$, $\mu = 2p_T$, $\mu = \hat{H}_T$ 등의 다양한 중심 스케일 선택을 시험하였다.
• 특히 단일 점검출기 포함 생성에서 두 번째 점검출기 기여에 초점을 맞추어, 운동역학적 영역 전반에서 고차 보정의 행동과 잔여 스케일 불확실성의 행동을 분석하였다.
• NNLO 예측을 $\sqrt{s} = 7$ 및 $13$ TeV에서 ATLAS 및 CMS 데이터의 2점검출기 질량 분포 및 단일 점검출기 $p_T$ 분포와 비교하였다.
• 이론적 불확실성을 정량화하고 예측의 안정성을 평가하기 위해 스케일 변동 밴드(2배 및 0.5배)를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 2점검출기 생성에 대해 NNLO에서 어떤 중심 스케일 선택이 가장 안정적이고 잘 수렴하는 페르투르바티브 급수를 제공하는가?
• RQ2 다양한 스케일 선택은 단일 점검출기 포함 $p_T$ 스펙트럼에서 페르투르바티브 수렴성과 잔여 스케일 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 어떤 스케일 선택은 NNLO에서 두 번째 점검출기 기여에 대해 물리적으로 비합리적인 음수 예측을 초래하는가?
• RQ4 $\mu = 2p_T$ 스케일 선택이 고차 보정의 안정성과 실험 데이터와의 비교를 통해 최적임을 검증할 수 있는가?
• RQ5 NNLO 보정은 어떤 정도로 스케일 불확실성을 감소시키고, 2점검출기 및 단일 점검출기 관측량에 대해 LHC 점검출기 데이터와의 일치도를 향상시키는가?

주요 결과

• $\mu = m_{jj}$ 스케일 선택은 2점검출기 생성에서 가장 안정적이고 잘 수렴하는 페르투르바티브 급수를 제공하며, $\mu = \langle p_T \rangle$에 비해 스케일 불확실성이 크게 감소하였다.
• 단일 점검출기 포함 생성에서 $\mu = 2p_T$ 스케일은 전체 $p_T$ 범위에서 안정적이고, 양수이며, 작은 스케일 불확실성을 갖는 예측을 제공하였으며, 특히 $R = 0.4$ 콘 크기에서 두드러졌다.
• NNLO에서 단일 점검출기 포함 단면적의 두 번째 점검출기 기여는 NLO에 비해 상당히 커졌으며, 특히 저 $p_T$ 영역에서 그러한 경향이 두드러져 스케일 선택이 안정성에 매우 중요하게 작용하였다.
• $\mu = \langle p_T \rangle$ 또는 $\mu = \hat{H}_T$ 등의 다른 스케일 선택은 일부 영역에서 두 번째 점검출기 비율에 대해 물리적으로 비합리적인 음수 예측을 초래하여 열악한 페르투르바티브 행동을 나타내었다.
• $\mu = 2p_T$ 스케일을 사용한 NNLO 예측은 모든 빠르기 슬라이스에서 작은 양수 보정을 보였으며, NLO에 비해 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서 CMS 데이터와의 일치도가 향상되었다.
• 전체 $p_T$ 범위에서 NLO에서 NNLO로의 전환에 따라 스케일 불확실성이 상당히 감소하였으며, $\mu = 2p_T$ 선택이 가장 일관되고 신뢰할 수 있는 행동을 보였다.