[논문 리뷰] $t\bar{t}b\bar{b}$ hadroproduction with massive bottom quarks with PowHel

Giuseppe Bevilacqua, Maria Vittoria Garzelli외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 하드프로덕션에서 top-antitop-bottom-antibottom (t¯tb¯b)를 4-플레버 수치 체계(4 FNS)를 사용하여 PowHel 이벤트 생성기에서 새롭게 구현한다. 여기서 모든 행렬 요소에 질량이 있는 바텀 쿼크를 포함한다. POWHEG 매칭과 PYTHIA를 통해 NLO QCD + 파arton 슈어드 정확도를 달성하며, 4 FNS 예측이 이전의 5 FNS 결과와 상당히 다름을 입증한다. 특히 바텀 쿼크 쌍을 포함한 분포에서 두드러지게 나타나며, 이는 토프 쿼크 히긴스 보손 생성 배경에서 바텀 쿼크 질량 효과의 중요성을 강조한다.

ABSTRACT

The associated production of top-antitop-bottom-antibottom quarks is a relevant irreducible background for Higgs boson analyses in the top-antitop-Higgs production channel, with Higgs decaying into a bottom-antibottom quark pair. We implement this process in the PowHel event generator, considering the bottom quarks as massive in all steps of the computation which involves hard-scattering matrix-elements in the 4-flavour number scheme combined with 4-flavour Parton Distribution Functions. Predictions with NLO QCD + Parton Shower accuracy, as obtained by PowHel + PYTHIA, are compared to those which resulted from a previous PowHel implementation with hard-scattering matrix-elements in the 5-flavour number scheme, considering as a baseline the example of a realistic analysis of top-antitop hadroproduction with additional $b$-jet activity, performed by the CMS collaboration at the Large Hadron Collider.

연구 동기 및 목표

• 질량이 있는 바텀 쿼크를 포함한 4-플레버 수치 체계(4 FNS)를 사용하여 t¯tb¯b 하드로프로덕션을 위한 새로운 PowHel 생성기를 개발한다.
• 하드 스캐터링 앰리튜드에 바텀 쿼크 질량을 일관되게 포함한 NLO QCD + 파톤 슈어드 정확도의 t¯tb¯b 생성 예측을 제공한다.
• 동일한 이벤트 생성기와 실험 설정을 사용하여 4 FNS와 5 FNS 예측 간 직접적이고 체계적인 비교를 가능하게 한다.
• 바텀 쿼크 질량과 척도 불확실성의 영향이 LHC에서 토프 쿼크 히긴스 보손 분석에 관련된 핵심 관측량에 미치는 영향을 평가한다.
• 특히 √s = 8 TeV에서 CMS가 수행한 t¯t + b-자르기 최종 상태 분석에 대한 벤치마크로 기능한다.

제안 방법

• 4 FNS 구현은 질량이 있는 바텀 쿼크를 포함한 1-루프 행렬 요소를 계산하기 위해 Helac-1loop 프레임워크를 사용한다.
• 하드 스캐터링 앰리튜드는 POWHEG-BOX 프레임워크 내에서 POWHEG 방법을 사용하여 파톤 슈어드와 매칭된다.
• 적분 불수렴은 POWHEG-BOX에 구현된 FKS 형식을 통해 제거된다.
• 생성기는 파톤 슈어딩, 하드론화, 다중 파톤 상호작용(MPI)을 위해 PYTHIA 8.2와 인터페이스된다.
• OpenLoops + SHERPA를 사용한 독립 계산과의 비교를 통해 예측이 검증되었으며, 완전한 일치를 보였다.
• 4 FNS와 5 FNS 체계의 영향을 분리하기 위해 동일한 CMS 분석 컷과 PYTHIA 설정을 사용한 종합적 비교를 수행했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하드 스캐터링 앰리튜드에 바텀 쿼크 질량을 포함할 때, 4 FNS와 5 FNS 간의 NLO QCD + 파톤 슈어드 예측은 t¯tb¯b 생성에서 어떻게 다를까?
• RQ2 실제 LHC 분석 맥락에서 ∆R(b1,b2), p⊥,b2, mb1b2와 같은 핵심 운동량 분포에 바텀 쿼크 질량이 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 척도 불확실성과 바텀 쿼크 고리 질량 불확실성은 4 FNS 예측에 5 FNS에 비해 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 5 FNS에서는 존재하지 않지만, 이중 콜라린 갈루온 분열이 바텀-반바텀 쌍으로 이르는 기여는 최종 상태에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 새로운 4 FNS PowHel 생성기는 H→b¯b를 위한 실험적 연구에서 t¯tH에 대한 신뢰할 수 있는 벤치마크로 기능할 수 있는가?

주요 결과

• 4 FNS 예측은 특히 두 추가 바텀-자르기의 진동 질량과 각도 간격에서 5 FNS 결과와 상당한 차이를 보이며, 특정 운동량 영역에서 최대 20%의 차이를 보였다.
• 하드 스캐터링 앰리튜드에 바텀 쿼크 질량을 포함함으로써, 특히 mb1b2 < 100 GeV일 경우 바텀-반바텀 시스템의 저질량 영역에서 횡단단면이 억제됨을 확인했다.
• 척도 불확실성은 명시적으로 계산되었으며, 대부분의 분포에서 10% 이내였고, 고에너지 尾영역에서 더 큰 영향을 보였다.
• 바텀 쿼크 고리 질량 불확실성은 무시할 수 없었으며, 고리 질량의 ±50% 변화가 ∆R(b1,b2)가 높을 경우 횡단단면에 최대 15%의 이동을 유도했다.
• MPI 효과는 ∆R(b1,b2)가 높고 p⊥,b2가 높을 경우 횡단단면을 증가시키며, 4 FNS 예측은 5 FNS에 비해 MPI에 더 강한 의존성을 보였다.
• 새로운 4 FNS PowHel 생성기는 독립적인 OpenLoops + SHERPA 계산과 양호한 일치를 보이며, 그 신뢰성과 일관성을 검증했다.