[논문 리뷰] Next-to-Leading-Order Corrections to Weak Boson Production with a Massive Quark Jet Pair at Hadron Colliders

F. Febres Cordero|ArXiv.org|2008. 09. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 85인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 강한 상호작용의 다음 주요 순서(QCD) 보정을 빛의 보손 W/Z 생성과 함께 질량이 있는 b-b̄ 쿼크 쌍이 생성되는 과정에 적용하며, 유한한 바텀 쿼크 질량 효과를 포함한다. 이는 선형 순서 계산에 비해 스케일 의존도가 크게 감소하고, 질량이 없는 쿼크 근사와 비교했을 때 저항성 질량 영역에서 상당한 편차를 보여주며, 정밀도가 요구되는 힉스 보손 및 토프 쿼크 물리 연구에 중요하다.

ABSTRACT

We present the calculation of Next-to-Leading-Order Quantum Chromo Dynamics corrections for the production of a W or Z weak boson associated with a bottom anti-bottom quark pair at hadron colliders (p anti-p, pp to W/Z b anti-b), including the effects of a non-zero bottom-quark mass. We find a considerable reduction of the renormalization and factorization scale dependence of our results with respect to Leading-Order calculations. In particular, we study the impact of the corrections on the total cross section and invariant mass distributions of the bottom anti-bottom quark pair at the Fermilab Tevatron collider. We perform a detailed comparison with a calculation that considers massless bottom quarks and find significant deviations in regions of phase space with small invariant mass of the bottom anti-bottom quark pair. Our results will be relevant to ongoing and future searches at hadron colliders, as the W/Z b anti-b production mode is the main background to important signals, such as light Standard Model Higgs boson production or single top-quark production.

연구 동기 및 목표

• 하드론 충돌기에서 질량이 있는 b-b̄ 쿼크 쌍과 함께 W/Z 보손 생성에 대한 다음 주요 순서(QCD) 보정을 계산하기.
• 전체 단면적과 진동 질량 분포에 대한 유한한 바텀 쿼크 질량의 영향 평가하기.
• 질량이 없는 쿼크 근사와의 비교를 통해 저항성 질량 영역에서의 상당한 편차를 규명하기.
• 테바트론과 LHC에서 힉스 보손 및 단일 토프 쿼크 탐색의 핵심 배경으로서의 정밀도 향상.
• 하드론 충돌기에서 토프 쿼크 및 힉스 물리의 정밀 현상학적 분석을 위한 신뢰할 수 있는 프레임워크 제공하기.

제안 방법

• 하드론 충돌기에서 과정 p p̄ → W/Z + b + b̄ 에 대한 NLO QCD 보정을 완전히 분석적으로 계산함.
• 질량이 없는 쿼크 근사를 피하기 위해 계산 전반에 걸쳐 유한한 바텀 쿼크 질량 효과를 포함함.
• 차원 정규화와 't Hooft-Veltman 체계를 사용하여 초월 및 적외선 발산을 처리함.
• 페르밀라브 테바트론에서 총 단면적과 b-b̄ 진동 질량 분포의 수치적 평가 수행함.
• 유한한 쿼크 질량의 영향을 분리하기 위해 질량이 없는 쿼크 계산과 결과 비교함.
• 재정규화 및 인화 스케일 의존도를 분석하여 이론적 불확실도 감소 평가함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 유한한 바텀 쿼크 질량 효과가 NLO에서 W/Z + b-b̄ 생성의 총 단면적에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 NLO QCD 보정은 선형 순서 예측에 비해 단면적의 스케일 의존도를 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 b-b̄ 진동 질량 스펙트럼에서 질량이 있는 쿼크와 질량이 없는 쿼크 계산 간에 상당한 편차가 나타나는 영역은 어디인가?
• RQ4 이 보정은 힉스 보손 및 토프 쿼크 탐색에서 W/Z + b-b̄ 배경으로서의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 유한한 쿼크 질량은 저항성 질량 영역의 운동량 분포에 대해 정량적으로 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 유한한 바텀 쿼크 질량을 포함함으로써 재정규화 및 인화 스케일 변화에 의한 이론적 불확실도가 선형 순서 결과에 비해 상당히 감소함.
• 특히 분포의 피크 영역에서, 저항성 질량 영역에서 질량이 있는 쿼크 계산과 질량이 없는 쿼크 계산 간에 상당한 편차를 관측함.
• NLO 보정은 다양한 스케일 선택에 걸쳐 단면적 예측의 안정성을 향상시켜 실험적 비교에 있어 신뢰도를 높임.
• 결과는 질량이 없는 쿼크 근사가 저질량 b-b̄ 최종 상태에서의 정밀 연구에는 부적합하며, 특히 Z 보손 공진해에 가까운 영역에서 그러하다는 것을 보여줌.
• 계산된 단면적과 분포는 표준 모형 힉스 보손 탐색 및 단일 토프 쿼크 생성에서 배경 불확실도를 줄이는 데 직접 적용 가능함.
• 이 연구는 유한한 쿼크 질량 효과가 무시할 수 없으며, 하드론 충돌기에서 고정밀 현상학적 분석에 반드시 포함되어야 한다고 확인함.