[논문 리뷰] Rare Standard Model processes for present and future hadronic colliders

Paolo Torrielli|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 07.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 20인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다핵자 충돌기에서 희귀한 표준모형 과정에 대해 다음 차수 정확도(NLO) QCD 계산을 MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 사용하여 제시한다. 주요 초점은 다중 히iggs 보손, 다중 전약보손, 다중 톰 쿼크 최종 상태에 있다. 100 테바볼트 FCC-hh에서 8 테바볼트 LHC에 비해 횡단단면적 증가율이 최대 1,150배에 이르는 다섯 보손 생성 및 전약보손과 두 개의 제트를 동반한 톰-항톰 쌍 생성에 대해 최초로 NLO 정확도 예측을 보고한다.

ABSTRACT

In this talk I present the total cross sections, accurate at the NLO in QCD, for rare Standard-Model hadroproduction processes involving multi-Higgs-boson, multi-electroweak-boson and multi-top-quark final states. The comparison between cross sections at the LHC and at a future circular hadronic collider with up to 100 TeV centre-of-mass energy is detailed. Results relevant to the hadronic production of five electroweak bosons, and of a top-antitop pair in association with an electroweak vector boson and two jets are presented here for the first time with NLO accuracy.

연구 동기 및 목표

• 핵자 충돌기에서 다중 히iggs 보손, 전약보손, 톰 쿼크를 포함한 희귀한 표준모형 과정에 대해 정확한 NLO QCD 예측을 제공하기 위해.
• LHC 데이터와의 횡단단면적 비교를 통해 향후 충돌기, 특히 100 테바볼트 FCC-hh에서 이러한 희귀 과정을 관측할 수 있는지 가능성 평가를 위해.
• 전자약보손 다섯 개의 핵합성과 전자약보손 벡터 보손 및 두 개의 제트를 동반한 톰-항톰 쌍의 핵합성에 대해 최초로 NLO 정확도 예측을 제공하기 위해.
• 통합된 계산 프레임워크를 사용하여 다양한 최종 상태 간에 강력하고 일관된 이론적 예측을 가능하게 하기 위해.
• 복잡한 표준모형 배경에 대한 통제력을 향상시켜 뉴 피직스 탐색 및 히그스 보손 성질 측정을 지원하기 위해.

제안 방법

• NLO QCD에서 임의의 표준모형 과정을 자동으로, 완전히 유연하게 시뮬레이션하기 위해 MadGraph5_aMC@NLO 프레임워크를 사용하였다.
• NLO 계산을 위해 FKS 적외선 보정 방법을 사용하였고, 한 개의 루프 행렬 원소 계산에는 OPP 방법과 OpenLoops를 사용하였다.
• NLO 계산과 파arton 쇼워를 매칭하기 위해 MC@NLO 형식을 적용하였고, 다중 제트 최종 상태에는 FxFx 병합 기법을 사용하였다.
• 최종 상태 입자들의 횡단 질량 합을 기반으로 재규격화 및 분리 스케일을 동적으로 설정하였으며, 스케일 불확실성은 재가중 기법을 통해 추정하였다.
• MSTW 2008 NLO PDF 세트를 사용하였고, 비대칭 헤시안 PDF 불확실성과 PDF 세트에 일치하는 αS 값도 적용하였다.
• 실제 최종 상태 재구성에 적합한 제트 및 광자 고립 조건(anti-kT, ΔR=0.7, pT>20 GeV; Frixione 콘, R0=0.4)을 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8 테바볼트 LHC에서 100 테바볼트 FCC-hh로의 희귀 SM 과정에 대한 총 횡단단면적은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 에너지와 빛의 밀도가 증가함에 따라 다중 히그스 또는 전약보손을 포함한 어떤 희귀 SM 과정이 FCC-hh에서 눈에 띄게 보일 수 있는가?
• RQ3 다섯 전자약보손 생성 및 톰-항톰 + V + 두 제트 최종 상태에 대해 첫 번째 NLO QCD 정확도 예측은 무엇인가?
• RQ4 에너지가 높아질수록 스케일 및 PDF 변동에 의한 이론적 불확실성은 이러한 예측의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제트 및 레프톤 운동량 컷은 FCC-hh에서 위상공간과 횡단단면적 증가에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 4-플레이버 모델에서 $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}$의 횡단단면적은 100 테바볼트 FCC-hh에서 1.10 pb에 도달하며, 8 테바볼트 LHC에 비해 횡단단면적 비율 $\rho = 486$을 기록한다.
• 프로세스 $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}jj$ 는 100 테바볼트 FCC-hh에서 $\rho$ 비율이 1,150에 이르며, 향후 충돌기에서 강력한 관측 가능성 잠재력을 보여준다.
• $pp \to t\bar{t}Zj$ 프로세스는 $\rho$ 비율이 789로 나타나, 위상공간과 에너지 증가로 인한 상당한 증폭이 일어났음을 보여준다.
• 100 테바볼트에서 $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}$ 횡단단면적은 분해비율 적용 이전에 1.10 pb이며, FCC-hh에서 가장 유망한 희귀 SM 신호 중 하나로 간주된다.
• $pp \to t\bar{t}\gamma j$ 프로세스는 $\rho$ 비율이 498을 기록하여, 추가 제트가 존재하더라도 이러한 과정이 FCC-hh에서 여전히 매우 접근 가능함을 시사한다.
• 모든 예측은 완전한 NLO QCD 정확도로 계산되었으며, 스케일 및 PDF 변동에 기인한 이론적 불확실성도 포함되어 있으며, 몬테카를로 오차는 비교적 무시할 수 있을 정도로 작다.