[논문 리뷰] Next-to-leading order corrections to Wt production and decay

John M. Campbell, Francesco Tramontano|ENLIGHTEN (Jurnal Bimbingan dan Konseling Islam)|2005. 06. 28.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 $Wt$ 생성 및 붕괴에 대한 다음 주요 순서(NLO) QCD 계산을 제시하며, 전체 스핀 상관관계와 탑 쿼크 붕괴에서의 글루온 복사 포함. NLO 보정은 약 10% 이내로 미약하며, $H\to WW^\star$ 경로를 통한 힉스 보손 탐색에서 배경 사건을 크게 감소시키고 핵심 운동량 분포를 변화시킴.

ABSTRACT

We present the results of a next-to-leading order calculation of Wt production, including the decays of both the top quark and the W boson. The effects of radiation in the decay of the top quark are also included. The separation of diagrams which appear in the real corrections, into singly- and doubly-resonant contributions, is performed using a b-jet veto which is motivated by the use of the bottom quark distribution function. We find that, for a choice of scale which is suitable for this approach, the QCD corrections are very mild and only change the cross section by up to 10% at the LHC, depending on the severity of the b-jet veto. When further cuts are applied, applicable for a Higgs boson search in the H->WW channel, we find that the radiative effects greatly decrease the number of background events expected from this process. In addition, the shapes of relevant distributions can be significantly changed at next-to-leading order.

연구 동기 및 목표

• 전체 스핀 상관관계와 탑 쿼크 붕괴에서의 글루온 복사를 포함한 $Wt$ 생성 및 붕괴에 대한 정밀한 NLO QCD 계산을 제공하기 위해.
• 하나의 $b$-저지로 단일 공진 및 이중 공진 기여를 분리하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해, 바텀 쿼크 분포 함수에 기반한 $b$-저지의 동기를 제공하기 위해.
• $H\to WW^\star$ 경로를 통한 힉스 보손 탐색의 맥락에서 NLO 보정이 사건 수와 운동량 분포에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 레프톤과 부족한 횡방향 운동량를 포함한 $H\to WW^\star$ 붕괴 채널에서, LHC에서 힉스 보손 분석의 배경 추정 정확도를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 탑 쿼크에 대해 온-shell 근사를 사용하여, 큰 탑 쿼크 너비($\Gamma_t/m_t \approx 1\%$)로 인해 간섭이 무시할 수 있을 정도로 작은 생산 및 붕괴 단계를 별도로 처리.
• 이전 단일 탑 계산에서 사용된 동일한 방법을 적용하여, 질량이 없는 스피노르 곱과 해석적 계속성을 통해 입사 운동량를 처리.
• 실수 보정에서 단일 공진($Wt$)과 이중 공진($t\bar{t}$) 기여를 분리하기 위해 $b$-저지를 도입.
• 가상 보정, 실수 복사, 그리고 재정규화를 포함한 전체 NLO 계산을 수행하며, 적분 수렴성과 초월 수렴성의 발산은 차원 정규화로 처리.
• 재정규화에 $\overline{\text{MS}}$ 체계를 사용하고, 파동 함수 및 결합 상수 재정규화 기여를 포함.
• 행렬 요소를 스피노르 헬리시티 진폭과 스칼라 적분($e.g., $C_0^A$, $L_1^6$, $\text{Li}_2$)으로 표현하며, 진폭에 대해 명시적인 해석적 표현 제공.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLO QCD 보정은 LHC에서 $Wt$ 생성 및 붕괴의 총 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 탑 쿼크 붕괴에서 글루온 복사를 포함할 경우, 최종 상태 운동량 분포와 사건 수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $b$-저지 컷이 $Wt$ 생성에서 단일 공진 및 이중 공진 기여의 분리에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 NLO 보정은 $H\to WW^\star$ 채널에서 힉스 보손 탐색에 관련된 핵심 운동량 분포의 형태를 어느 정도 변화시키는가?
• RQ5 실제 검출기 조건을 반영한 분석에서, NLO 보정은 $Wt$ 생성으로 인한 배경을 어느 정도 감소시키는가?

주요 결과

• LHC에서 $Wt$ 생성 단면적에 대한 NLO QCD 보정은 미약하며, $b$-저지의 강도에 따라 최대 10% 이내로 사건 수에 영향을 미침.
• 탑 쿼크 붕괴에서 글루온 복사를 포함할 경우, 특히 잔여 입자와 부족한 횡방향 운동량를 포함한 최종 상태 운동량 분포의 형태가 크게 변화함.
• 실제 수용성 및 검색 컷을 적용한 $H\to WW^\star$ 채널에서, NLO 보정은 $Wt$ 생성으로 인한 배경 사건 수를 상당한 요소로 감소시킴.
• 이중 공진 $t\bar{t}$ 기여는 바텀 쿼크 분포 함수를 기반으로 한 $b$-저지를 통해 $Wt$ 과정에서 적절히 분리됨.
• NLO 결과는 $Wt$ 배경 추정의 이론적 불확실성을 감소시켜 LHC에서의 힉스 보손 탐색 정확도를 향상시킴.
• 생산과 붕괴에서의 복사 간 간섭이 무시 가능하다는 것이 확인되어, 이 프레임워크에서 사용된 온-shell 근사의 타당성이 검증됨.