[논문 리뷰] PROSPINO: A Program for the Production of Supersymmetric Particles in Next-to-leading Order QCD

W. Beenakker, R. Höpker외 1명|arXiv (Cornell University)|1996. 11. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 295

한 줄 요약

PROSPINO는 하드론 충돌기에서 초대칭 입자—스夸크와 글루ино의 생성 단면적에 대해 다음 최고 순서(NLO) 양성색역학(QCD) 보정을 계산하는 포트란 프로그램이다. 이 프로그램은 총 단면적과 이완도 및 횡방향 운동량에 대한 미분 단면적을 제공하며, 사용자가 정의한 절단 조건을 포함하여 모든 최종 상태에서 전적으로 NLO 정확도를 확보한다. 이는 스케일 의존성의 감소와 동시에 단면적을 최대 두 배까지 증가시킴으로써, 최초 순서 예측에 비해 이론적 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

A Fortran-program for the production cross-sections of squarks and gluinos at hadron colliders is described. It includes full next-to-leading order SUSY-QCD corrections to all possible final states ($\squark\squarkbar, \gluino\gluino, \squark\gluino, \squark\squark$). The program allows to calculate total cross-sections as well as differential distributions in the transverse momentum p_t and the rapidity y of one of the outgoing particles. In addition cuts in p_t and y can easily be implemented.

연구 동기 및 목표

• 다음 최고 순서(QCD) 보정을 포함하여 하드론 충돌기에서 초대칭 입자 생성에 대해 정밀한 이론적 예측을 제공하기 위해.
• NLO 보정을 통합하여 단면적 예측의 스케일 의존성에서 기인하는 이론적 불확실성을 줄이기 위해.
• 실험 분석을 위한 정확한 횡방향 운동량과 이완도의 미분 분포 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 절단 조건과 파arton 밀도 세트를 사용할 수 있도록 사용자 설정이 가능한 도구를 제공하여 충돌기 물리학을 지원하기 위해.

제안 방법

• 프로그램은 공식 $ \frac{d^2\sigma}{dp_t\,dy} = 2p_t S \sum_{i,j} \int dx_1 dx_2 \, x_1 f_i^{h_1}(x_1,Q^2) x_2 f_j^{h_2}(x_2,Q^2) \frac{d^2\hat{\sigma}_{ij}}{dt\,du} $ 를 사용하여 이중 미분 단면적을 계산하며, 파arton 루미노시티에 대한 통합을 수행한다.
• 모든 최종 상태 $ \tilde{q}\bar{\tilde{q}}, \tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q} $ 에 대해 최초 순서(LO) 및 다음 최고 순서(NLO) 행렬 요소를 구현하며, 색상 및 스핀 평균을 완전히 고려한다.
• 다중 차원 위상공간 적분의 고정밀 평가를 위해 VEGAS 적응형 몬테카를로 알고리즘을 사용하여 수치적 통합을 수행한다.
• GRV94, MRS(A’), PDFLIB 등의 다양한 파arton 밀도 세트를 지원하며, 사용자가 정의한 재결합/분리 스케일을 허용하며, $ Q = \sqrt{m_{\tilde{q}}^2 + p_t^2} $ 도 포함한다.
• 적분에서의 적분 발산을 처리하기 위해 감소 절차를 구현하고, 일관된 $ \overline{MS} $-스키마를 통해 비틀림 없는 중간 상태를 다룬다.
• 행렬 요소, 통합 루틴, 제어 논리가 분리된 코드 구조를 채택하여 모듈식 확장과 사용자 정의 출력 레이아웃 및 운동량 절단 조건의 간편한 구현을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드론 충돌기에서 스퀴어크 및 글루노의 생성 단면적에 대해 NLO QCD 보정이 최초 순서 예측에 비해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 NLO 보정은 초대칭 입자 생성에서 스케일 의존성에 기인한 이론적 불확실성을 어느 정도 감소시키는가?
• RQ3 통합된 포트란 프레임워크를 사용하여 다양한 최종 상태에 대해 횡방향 운동량과 이완도의 미분 분포를 얼마나 정확하게 계산할 수 있는가?
• RQ4 사용자 설정이 가능한 프로그램을 개발하여 총 단면적과 미분 단면적을 다양한 절단 조건과 파arton 밀도 세트로 계산할 수 있는가?

주요 결과

• NLO QCD 보정은 최초 순서 예측 대비 스퀴어크 및 글루노의 생성 단면적을 최대 두 배까지 증가시킨다.
• NLO 보정의 통합은 재결합 및 분리 스케일에 대한 의존성을 크게 감소시켜 이론적 안정성을 향상시킨다.
• 에너지 중심 질량 $ \sqrt{S} = 1800 $ GeV 인 양성자-반양성자 충돌기에서 $ \tilde{q}\bar{\tilde{q}} $ 생성의 총 단면적은 최초 순서에서 $ 0.7028 \pm 0.0017 $ pb, NLO에서 $ 0.8333 \pm 0.0021 $ pb이다.
• 횡방향 운동량 $ p_t = 50 $ GeV 에서의 미분 단면적 $ d\sigma/dp_t $ 는 최초 순서에서 $ 0.02488 \pm 0.0016 $ pb/GeV, NLO에서 $ 0.03547 \pm 0.0018 $ pb/GeV 이다.
• 전형적인 테스트 케이스에서 실리콘 그래픽스 워크스테이션에서 약 35분의 실행 시간으로 높은 정밀도를 달성한다.
• 코드는 모듈식이며 확장 가능하며, 다양한 파arton 밀도 세트를 지원하고 새로운 절단 조건 및 운동량 구성의 간편한 구현을 가능하게 한다.