[논문 리뷰] The NNLO QCD corrections to Z boson production at large transverse momentum

A. Gehrmann–De Ridder, T. Gehrmann외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 05. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 33인용 수 19

한 줄 요약

이 논문은 8 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 Z 보손의 횡방향 운동량 분포에 대한 다음 다음 주요 순서(NNLO) QCD 보정을 제시한다. 이 보정은 앤티나 빼기 방법을 사용한 NNLO JET 몬테카를로 생성기로 계산되었으며, 실험 데이터와의 일치도가 크게 향상된다. 분포를 포함된 Drell–Yan 단면적을 기준으로 정규화할 경우, NLO 수준에서 관찰된 불일치를 해결하고, NNLO 정확도로 양성자 분포 함수와 강한 상호작용 상수의 정밀도 연구가 가능해진다.

ABSTRACT

The transverse momentum distribution of massive neutral vector bosons can be measured to high accuracy at hadron colliders. The transverse momentum is caused by a partonic recoil, and is determined by QCD dynamics. We compute the single and double-differential transverse momentum distributions for fully inclusive $Z/γ^*$ production including leptonic decay to next-to-next-to-leading order (NNLO) in perturbative QCD. We also compute the same distributions normalised to the cross sections for inclusive $Z/γ^*$ production, i.e. integrated over the transverse momentum of the lepton pair. We compare our predictions for the fiducial cross sections to the 8 TeV data set from the ATLAS and CMS collaborations, which both observed a tension between data and NLO theory predictions, using the experimental cuts and binning. We find that the inclusion of the NNLO QCD effects does not fully resolve the tension with the data for the unnormalised $p^Z_T$ distribution. However, we observe that normalising the NNLO $Z$-boson transverse momentum distribution by the NNLO Drell-Yan cross section substantially improves the agreement between experimental data and theory, and opens the way for precision QCD studies of this observable.

연구 동기 및 목표

• 대역의 횡방향 운동량에서의 양성자-양성자 충돌에서 Z 보손의 횡방향 운동량 분포에 대한 NNLO QCD 보정을 계산하는 것.
• Z 보손의 횡방향 운동량 분포에 대해 NLO QCD 예측과 LHC 데이터 사이에 지속적인 갈등을 해결하는 것.
• 편미분 Drell–Yan 단면적을 기준으로 분포를 정규화하여 이론과 실험 간의 정밀한 비교를 가능하게 하는 것.
• 이론적 불확실성을 줄여 미래의 전역적 PDF 피팅과 αs 추출을 NNLO 정확도로 지원하는 것.

제안 방법

• 계산은 양성자 충돌에서 인프라레드 안정적인 NNLO 계산을 위한 앤티나 빼기 방법을 구현한 NNLO JET 파arton 수준 몬테카를로 생성기를 사용한다.
• 전체적으로 포함된 Z/γ* 생성에 대해 횡방향 운동량 분포를 계산하며, 실험 조건을 반영한 렙톤 운동량에 대한 편미분 조건을 적용한다.
• 인프라레드 유한성을 확보하기 위해 Z 보손의 낮은 횡방향 운동량 컷을 도입하여 최종 상태 방출이 그의 횡방향 운동량을 균형 잡도록 한다.
• 동일한 편미분 조건과 분할 기준을 사용하여 8 TeV ATLAS 및 CMS 데이터와 이론 예측을 비교하며, 정규화되지 않은 분포와 정규화된 분포를 모두 고려한다.
• 이론적 예측는 모든 Z 보손 횡방향 운동량에 대해 통합된 NNLO Drell–Yan 단면적을 나누어 분포를 정규화한다.
• 전자약력 보정은 고려되었지만, 정규화된 분포에서는 대부분 상쇄되므로 QCD 효과에 집중할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NNLO QCD 보정의 포함이 Z 보손의 횡방향 운동량 분포에 대해 관측된 NLO 이론과 LHC 데이터 사이의 갈등을 해결하는가?
• RQ2 NNLO 보정은 편미분 위상공간에서 미분 단면적의 형태와 정규화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 정규화된 분포를 통해 포함된 Drell–Yan 단면적을 기준으로 한 횡방향 운동량 분포가 실험 데이터와의 일치도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 NLO에 비해 NNLO에서 이론적 스케일 불확실성은 정규화된 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향상된 이론 정밀도를 바탕으로 NNLO에서 Z 보손의 횡방향 운동량 데이터를 사용하여 일관된 전역적 PDF 피팅과 αs 추출이 가능한가?

주요 결과

• 정규화되지 않은 Z 보손의 횡방향 운동량 분포에 대한 NNLO 보정은 중간 정도이며 양의 성향을 보이며, NLO 대비 큰 pT 영역에서 이론적 예측를 5–8% 증가시킨다.
• NNLO 보정에도 불구하고, 정규화되지 않은 분포는 여전히 ATLAS 및 CMS 데이터와 5–8%의 불일치를 보이며, 절대 단면적에서 지속적인 갈등이 있음을 시사한다.
• 분포를 NNLO Drell–Yan 단면적으로 정규화하면 ATLAS 및 CMS 데이터와 뛰어난 일치를 보이며, 특히 큰 mℓℓ 및 모든 |yZ| 범주에서 뚜렷하게 향상된다.
• NNLO 스케일 불확실성은 2–4%로 감소하여 이론 정밀도가 크게 향상되고 데이터와의 신뢰성 있는 비교가 가능해진다.
• 정규화된 분포에서의 향상된 일치도는 정밀도 QCD 연구를 가능하게 하며, 향후 전역적 PDF 피팅과 αs 추출을 NNLO 정확도로 수행할 수 있다.
• 결과는 정규화가 의미 있는 이론-실험 비교를 위해 필수적임을 보여주며, 스케일 불확실성을 억제하고 고차수 QCD 효과에 대한 민감도를 향상시킨다.