[논문 리뷰] NNLO+PS $W^+W^-$ production using jet veto resummation at NNLL$'$

Alessandro Gavardi, Matthew A. Lim외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 $W^+W^-$ 생성을 위한 최초의 NNLO+PS 이벤트 생성기를 제시한다. 여기서는 가장 에너지가 높은 제트의 횡방향 운동량($p_J^{T}$)을 해상도 변수로 사용하고, SCET에서의 NNLL′ 제트 베토 리스컬링을 Geneva 방법을 통해 매칭하였다. 이 방법은 제트 베토로 인한 큰 로그 항을 억제하여 배제적인 제로 제트 최종 상태의 정확한 시뮬레이션을 가능하게 하며, ATLAS 및 CMS 데이터와 양호한 일치를 보이며, LHC 물리학에서 NNLO 정확도에 도달한 정밀 몬테카를로 시뮬레이션 분야에서 중요한 진전을 이룬다.

ABSTRACT

We construct a novel event generator for the process $p \> p o \ell^- \> \bar{ u}_\ell \> \ell'^+ \> u_{\ell'}$, which matches fixed-order predictions at next-to-next-to-leading order in the strong coupling to a parton shower program. The matching is achieved using the GENEVA method, in this case exploiting a resummed calculation for the hardest jet transverse momentum at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy obtained via soft-collinear effective theory and implemented in the C++ library SCETlib. This choice of resolution variable ensures that the introduction of a jet veto, commonly used by experimental analyses to reject multi-jet background events, does not result in the appearance of unmitigated large logarithms for low veto scales before showering. After validating our partonic results against publicly available fixed order and resummed calculations, we compare our predictions to measurements taken at the ATLAS and CMS experiments, finding good agreement. This is the first NNLO+PS accurate event generator to use the hardest jet transverse momentum as a resolution variable.

연구 동기 및 목표

• 보다 높은 이론적 정확도를 확보하기 위해 $W^+W^-$ 생성을 위한 다음다음최고순서(Next-to-Next-to-Leading Order, NNLO) + 파트론 쇼워(PS) 이벤트 생성기를 개발하는 것.
• 실험 분석에서 발생하는 제트 베토로 인한 큰 로그 항 문제를 해결하기 위해, 리스컬링된 $p_J^{T}$를 해상도 변수로 사용하는 것.
• 소프트-결합 효과 이론(SCET)을 활용하여 C++ 라이브러리인 SCETlib를 통해 NNLL′ 정확도의 제트 베토 리스컬링을 구현하는 것.
• 고정순서 및 리스컬링 계산과의 검증을 통해 생성기의 정확성을 확보하고, ATLAS 및 CMS 실험 측정치와 예측치를 비교하는 것.
• 특히 제트 베토 효과가 뚜렷한 과정에서, Geneva 방법을 사용한 NNLO+PS 매칭에 $p_J^{T}$를 해상도 변수로 사용하는 것이 가능하고 유리한 점을 입증하는 것.

제안 방법

• 제일 큰 제트의 횡방향 운동량($p_J^{T}$)을 해상도 변수로 사용하여, 제트 베토로 인한 억제되지 않은 로그 항을 피하기 위해, NNLO 고정순서 계산과 파트론 쇼워를 매칭하는 데 Geneva 방법을 적용한다.
• 소프트-결합 효과 이론(SCET)을 통해 $p_J^{T}$ 기반의 제트 베토 로그 항을 NNLL′ 정확도로 리스컬링하며, C++ 라이브러리인 SCETlib를 활용하여 저해상도 베토 스케일 구성에 대한 고정밀도 기술을 보장한다.
• 실제 복사 단계의 위상공간을 보어 위상공간으로 매핑하기 위해 $p_J^{T}$를 유지하는 변환 방식을 사용하여, 일관된 리스컬링과 쇼워링을 가능하게 한다.
• $p_J^{T}$를 해상도 변수로 사용할 경우 소프트 및 콜라린어 극한을 정확히 재현하기 위해 분열 함수 커널을 재정의하여 쇼워링 과정의 물리적 일관성을 확보한다.
• 프ofile 스케일과 이론적 불확실도는 스케일 변동을 통해 추정하며, Geneva 형식론을 사용하여 파트론 쇼워와의 매칭을 수행한다.
• 공개된 고정순서 및 리스컬링 계산(MCFM 등)과의 검증을 통해 생성기를 검증하고, ATLAS 및 CMS의 실험 데이터와의 비교를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트 베토로 인한 큰 로그 보정 항을 피하기 위해 $p_J^{T}$를 NNLO+PS 매칭에서 안정적이고 정확한 해상도 변수로 사용할 수 있는가?
• RQ2 $p_J^{T}$ 기반의 제트 베토 로그 항을 NNLL′ 정확도로 리스컬링하면, 고정순서나 낮은 로그 정확도의 리스컬링에 비해 배제적인 $W^+W^-$ 총단면적의 정확도가 어떻게 향상되는가?
• RQ3 해상도 변수의 선택이 제트 베토 조건 하에서 $W^+W^-$ 생성의 NNLO+PS 예측에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ4 새로운 이벤트 생성기가 이전의 NNLO+PS 생성기보다 ATLAS 및 CMS 실험 측정치를 더 잘 재현하는가?
• RQ5 Geneva 방법을 사용하여, 완전히 배제적인 고다중도 이벤트 생성 프레임워크에서 $p_J^{T}$ 기반 리스컬링을 NNLL′ 정확도로 성공적으로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 새로운 이벤트 생성기는 ATLAS 및 CMS의 $W^+W^-$ 생성 측정치와 양호한 일치를 보이며, NNLO+PS 정확도에서의 예측 능력을 검증한다.
• 기존의 $p_J^{T}$ 기반 형식론에 NNLL′ 제트 베토 리스컬링을 통합함으로써, 저해상도 베토 스케일 영역의 기술이 크게 향상되었고, 이론적 불확실도가 감소하였다.
• 제트 베토 조건 하에서도 $p_J^{T}$를 해상도 변수로 사용함으로써 억제되지 않은 큰 로그 항을 효과적으로 방지하여, 파라미터 이론적 안정성을 확보하였다.
• $p_J^{T}$를 유지하는 매핑 및 수정된 분열 함수의 구현으로, 쇼워링 과정에서 소프트 및 콜라린어 극한이 정확히 재현되어 물리적 일관성이 유지되었다.
• 이것은 $p_J^{T}$를 해상도 변수로 사용한 최초의 NNLO+PS 생성기로서, NNLL′ 정확도에서 $W^+W^-$ 물리학의 정밀 시뮬레이션 기준을 설정하였다.
• 결과는 해상도 변수의 선택이 예측에 측정 가능한 영향을 미치며, 특히 제트 베토가 적용되는 과정에서는 $p_J^{T}$가 더 견고하고 정확한 대안임을 입증하였다.