[논문 리뷰] Modelling Wt and tWZ production at NLO for ATLAS analyses

O. Bessidskaia Bylund|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 30.

Superconducting Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다음 준위의 양자 chromodynamics(QCD) 계산에서 운동량 재배치 없이 $Wt$ 및 $tWZ$ 생성을 모델링하는 Diagram Removal 2(DR2) 방법을 평가한다. 이는 $t\bar{t}$ 및 $t\bar{t}Z$ 과정과의 간섭 효과를 유지한다. 표준 Diagram Removal 1(DR1)과 비교할 때, DR2는 $Wt$의 경우 10%, $tWZ$의 경우 28%의 교차단면 감소를 보이며, ATLAS 분석 선택 조건 근처의 미분 분포에서 상당한 차이를 보인다.

ABSTRACT

The generation of single top production in the $Wt$ channel at NLO gives rise to doubly-resonant diagrams that overlap with $t \bar t$, and similarly for associated production with a $Z$ or Higgs boson. Several methods exist to remove this overlap, thus avoiding double counting and separating the two processes. In Diagram Removal 1, the amplitudes of doubly-resonant diagrams are set to zero, which also removes the interference of $Wt$ with $t \bar t$. If a measurement is performed in a region where this interference is not negligible, it would be of interest to take it into account. Another method, Diagram Subtraction, preserves the interference. However, it relies upon momentum reshuffling, which introduces uncertainties to the prediction. An alternative method, Diagram Removal 2, does not involve reshuffling and preserves the interference by subtracting the amplitude squared of the doubly-resonant diagrams from the total. The predictions of Diagram Removal 2 from MG5_aMC@NLO are compared with other predictions for $Wt$ and $tWZ$ production in the context of analyses at the ATLAS experiment. Implications of using Diagram Removal 2 are discussed, both for measurements of single top processes and when $Wt$ or $tWZ$ are treated as a background. Differential distributions are shown, investigating in what regions the predictions differ the most.

연구 동기 및 목표

• NLO QCD 계산에서 $Wt$/$tWZ$ 과정과 $t\bar{t}$/$t\bar{t}Z$ 과정 간의 이중 계산 문제를 해결하기 위해.
• 표준 Diagram Removal 1에서 간과되는 $Wt$와 $t\bar{t}$, $tWZ$와 $t\bar{t}Z$ 간의 간섭 효과의 영향을 평가하기 위해.
• 운동량 재배치 기반 방법(예: Diagram Subtraction)과의 대체로, 게이지 불변인 Diagram Removal 2(DR2)를 검증하기 위해.
• ATLAS 분석 선택 조건에 맞게, MG5_aMC@NLO를 사용하여 $Wt$ 및 $tWZ$ 생성에 대한 정확한 NLO 예측을 제공하기 위해.
• ATLAS 측정에 관련된 고다중도의 제트 및 고-$p_T$ 영역에서 발생하는 간섭 효과로 인한 이론적 불확도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• Diagram Removal 2(DR2)를 적용하여, 이중 공진 상태 다이어그램의 제곱 진폭을 총 행렬 원소 제곱에서 빼내어 간섭 효과를 유지하면서 운동량 재배치 없이 구현한다.
• 이벤트 생성에 MG5_aMC@NLO를 사용하고, 붕괴에는 MadSpin을, parton showering에는 Herwig++ 또는 Pythia8을 적용한다.
• DR2 예측을 Diagram Removal 1(DR1), Diagram Subtraction(DS), 그리고 ATLAS Powheg-Box의 정상 샘플과 비교한다.
• ATLAS 사전 선택 조건을 반영한 운동량 절단 조건을 적용: 렙톤의 경우 $p_T > 20$ GeV, 제트의 경우 $p_T > 25$ GeV, $|\eta| < 2.5$.
• 제트 다중도, 주요 제트 $p_T$, $Z$ 보손 $p_T$ 등의 미분 분포를 분석하여 가장 큰 차이가 나타나는 영역을 규명한다.
• 기존의 $Wt$ 및 $tWH$에 대한 게이지 불변 예측과의 비교를 통해 DR2의 간섭 모델링 정합성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DR2와 DR1 예측 간의 $Wt$ 및 $tWZ$ 생성에 대한 포함 교차단면은 어떻게 다를까?
• RQ2 DR2와 DR1의 예측이 가장 크게 다름은 어떤 운동량 영역에서 나타나는가?
• RQ3 $Wt$와 $t\bar{t}$ 간의 간섭 크기는 얼마이며, 이는 미분 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 DR2에서 간섭 효과를 포함함으로써, 특히 고-$p_T$ 및 고제트 다중도 영역에서 $tWZ$ 교차단면은 DR1에 비해 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 DR2 예측은 $Wt$ 및 $tWZ$의 간섭 효과에 대해 게이지 불변 기준과 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• $Wt$ 생성의 포함 교차단면은 DR2에서 10% 낮은 7.09 pb로, DR1의 7.87 pb보다 낮으며, 이는 상당한 간섭 효과의 파괴적 성향을 시사한다.
• $tWZ$ 생성의 경우, DR2 교차단면(12.2 fb)은 DR1(15.6 fb)보다 28% 낮으며, 이는 큰 간섭 기여를 반영한다.
• 미분 분포 분석 결과, DR1과 DR2 간의 가장 큰 차이는 고제트 다중도 및 고$p_T$ 영역, 특히 주요 제트와 $Z$ 보손에서 나타난다.
• $Wt$와 $t\bar{t}$ 간의 간섭은 파괴적 성향이며 크기가 약 10%로, 이전 연구 결과와 일치한다.
• DR2 예측은 $Wt$ 및 $tWH$에 대해 게이지 불변 기준과 일치하여, 운동량 재배치 없이도 간섭 효과를 신뢰성 있게 모델링할 수 있음을 확인한다.
• $tWZ$ 과정은 $t\bar{t}Z$ 및 $t\bar{t}$와의 복잡한 간섭을 보이며, DR2는 이 복잡한 구조를 미분 관측량에서 효과적으로 포착한다.