[논문 리뷰] NNLO QCD Corrections to t-channel Single Top-Quark Production and Decay

Edmond L. Berger, Jun Gao외 2명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2016. 06. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 5-플레버 스킴을 사용하여 좁은 폭 근사와 양성자-양성자 간 상호작용을 忽略한 t-채널 단일 탑 쿼크 생성 및 붕괴에 대한 최초의 완전한 미분(next-to-next-to-leading order, NNLO) QCD 계산을 제시한다. NNLO 보정은 이론적 불확실성을 백분율 수준으로 감소시키며, 13 TeV에서 유효 단면적에 대해 최대 -6%의 보정을 제공한다. 이는 탑 쿼크 결합 및 단면적 측정의 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We present a fully differential next-to-next-to-leading order calculation of t-channel single top-quark production and decay at the LHC under narrow-width approximation and neglecting cross-talk between incoming protons. We focus on the fiducial cross sections at 13 TeV, finding that the next-to-next-to-leading order QCD corrections can reach the level of -6%. The scale variations are reduced to the level of a percent. Our results can be used to improve experimental acceptance estimates and the measurements of the single top-quark production cross section and the top-quark electroweak couplings.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 t-채널 단일 탑 쿼크 생성 및 붕해에 대해 완전한 미분 NNLO QCD 계산을 제공하여 고정밀도 이론 예측을 가능하게 한다.
• 스케일 변동을 약 ~1% 수준으로 억제하여 탑 쿼크 생성 단면적의 이론적 불확실성을 감소시킨다.
• 고차수 QCD 보정을 포함함으로써 실험적 수용도 추정과 탑 쿼크 전자약력 결합 측정을 향상시킨다.
• 파트론 분포 함수(PDFs)에 대한 민감도와 페르투르바티브 보정 간의 민감도를 비교하여 탑-반탑 전하 비율에 대한 영향을 평가한다.
• 좁은 폭 근사와 구조 함수 접근법이 NNLO에서 생산 및 붕해 보정을 분리하는 데 적용 가능한지 검증한다.

제안 방법

• 탑 쿼크의 너비가 질량에 비해 작다고 가정하여, 넓은 폭 근사(NWA)를 사용해 QCD 보정을 생산 및 붕해 기여로 분리한다.
• 구조 함수 접근법을 적용하여 보정을 세 부분으로 분리한다: 경량 쿼크 선(V_l), 고량 쿼크 선(V_h), 붕해 부분(V_d)으로, 이들 간의 상호작용은 없다.
• QCD에서 5-플레버 스킴을 사용하고, 양성자 간의 강입자 시스템 상호작용을 忽略한다. 이는 1/N_c^2의 억제 인자에 의해 정당화된다.
• 실험적 ATLAS 및 CMS 분석과 일치하는 유효 조건을 적용하기 위해 완전한 미분 단면적 적분을 수행한다.
• 몬테카를로 기법을 사용한 수치적 적분을 통해 포함 및 미분 단면적(전단면 및 양성자 수평도 분포 포함)을 계산한다.
• LO, NLO, NNLO 수준의 결과를 비교하고, CT14, MMHT2014, NNPDF3.0 세트를 사용하여 PDF 불확실성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 t-채널 단일 탑 쿼크 생성 및 붕해에 대한 NNLO QCD 보정의 크기와 스케일 의존성은 어떠한가?
• RQ2 실험적 절단 조건이 적용되었을 때 NNLO 보정은 유효 단면적에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 NLO에 비해 NNLO에서 스케일 변동에 의한 이론적 불확실성은 얼마나 감소하는가?
• RQ4 탑-반탑 전하 비율은 PDF 불확실성에 더 민감한가, 아니면 페르투르바티브 보정에 더 민감한가?
• RQ5 NNLO에서 구조 함수 근사는 완전한 두 개의 이중 순서 가상 보정을 포함한 간섭항 없이도 정확하게 기술할 수 있는가?

주요 결과

• 13 TeV에서 유효 단면적에 대한 NNLO QCD 보정은 -6%에 이르며, NLO 예측에서의 상당한 이동을 나타낸다.
• NNLO에서 이론적 예측의 스케일 불확실성은 약 ~1% 수준으로 감소하여 정밀도가 크게 향상된다.
• 탑-반탑 유효 단면적 비율은 PDF 불확실성에 매우 민감하며, 페르투르바티브 보정보다 훨씬 더 민감하여 PDF 제약을 위한 강력한 도구가 된다.
• NLO 보정은 큰 양성자 수평도에서 약 ~2%에 이르지만, NNLO 보정은 1% 이하로 유지되어 수렴성이 확인된다.
• 전하 비율은 PDF 세트(CT14, MMHT2014, NNPDF3.0)의 선택에 강하게 의존하며, 중심 영역에서 불확실성 밴드가 약 ~1%에 이르게 된다.
• 계산 결과는 구조 함수 근사가 NNLO에서 실현 가능하다는 것을 보여주며, 상호작용 효과는 1/N_c^2로 억제되어 주요 결과에 크게 영향을 주지 않을 것으로 기대된다.