[논문 리뷰] The top-quark pair production cross section at next-to-next-to-leading logarithmic order

Martin Beneke, P. Falgari외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 테바트론과 LHC에서 탑-쿼크 쌍 생성 단면적에 대한 소프트 및 쿨롱 보정을 다음-다음-최고의 로그(이중 로그)로 재결합하여 이론적 불확실성을 크게 감소시킨다. 결합 상태 효과와 고차 재결합을 포함함으로써 NLO에 비해 단면적이 3–8% 증가하며, 각각 7.22 pb(테바트론) 및 162.6 pb(LHC 7 TeV)의 예측을 도출하여 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보이며 탑-쿼크 질량 측정의 정밀도를 향상시킨다.

ABSTRACT

We present predictions for the total ttbar production cross section sigma_ttbar at the Tevatron and LHC, which include the resummation of soft logarithms and Coulomb singularities through next-to-next-to-leading logarithmic order, and ttbar bound-state contributions. Resummation effects amount to about 8 % of the next-to-leading order result at Tevatron and about 3 % at LHC with 7 TeV centre-of-mass energy. They lead to a significant reduction of the theoretical uncertainty. With m_t=173.3 GeV, we find sigma_ttbar=7.22^{+0.31+0.71}_{-0.47-0.55} pb at Tevatron and sigma_ttbar=162.6^{+7.4+15.4}_{-7.5-14.7} at the LHC, in good agreement with the latest experimental measurements.

연구 동기 및 목표

• 소프트 및 쿨롱 로그를 NNLL 차수까지 재결합하여 탑-쿼크 쌍 생성 단면적의 이론적 정밀도를 향상시키기 위해.
• 고정 순서 QCD가 실패하는 임계 영역에서 단면적 예측의 이론적 불확실성을 줄이기 위해.
• 더 정확한 탑-쿼크 쌍 생성 기술을 위해 비추상적 결합 상태(Coulomb) 기여를 포함하기 위해.
• 이론적 예측과 실험 데이터를 비교하여 탑-쿼크 극 질량의 더 정밀한 결정을 가능하게 하기 위해.
• 다른 충돌기에서의 재결합 방법의 일관성과 강건성을 평가하기 위해, 특히 테바트론의 q\bar{q} 채널 대비 LHC의 gg 채널 우세성의 차이를 고려하여.

제안 방법

• 소프트-결합 효과 이론(SCET)과 비상대론적 양자 색역학(PNRQCD)에 기반한 운동량 공간 재결합 형식을 사용하여 경계, 소프트, 쿨롱 기여를 분리한다.
• 운동량 공간에서의 재정규화군 진화 방정식을 사용하여 이중 및 단일 로그를 NNLL 정밀도까지 재결합하며, 소프트 함수의 3계 파라미터와 하드 및 소프트 함수의 2계 파라미터를 사용한다.
• 고정 순서 소프트 함수의 라플라스 변환을 통해 재결합된 단면적을 유도하고, 재결합 함수 S, a^R_W,i, 및 η를 지수함수화한다.
• t\bar{t} 결합 상태 역학을 기술하기 위해 쿨롱 포텐셜 함수 J_R를 포함하며, 전체 재결합 단면적은 하드, 소프트, 포텐셜 함수의 콘볼루션으로 얻는다.
• 파트온 루미노시티 함수를 통해 재결합 단면적을 하드론 충돌에 적용하고, 파arton 중심질량 에너지에 대해 통합한다.
• 결과를 고정 순서 NNLO 근사와 다른 NNLL 예측과 비교하여 이론적 불확실성과 그룹 간 일관성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트 및 쿨롱 보정은 어떤 방식으로 NNLL 정밀도에서 총 탑-쿼크 쌍 생성 단면적에 영향을 미치는가?
• RQ2 NLO 예측에 비해 NNLL 재결합은 이론적 불확실성을 얼마나 줄이는가?
• RQ3 재결합된 예측은 테바트론과 LHC의 실험 측정과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다른 충돌기에서 q\bar{q} 대비 gg 初기 상태 우세성의 영향은 재결합 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 향상된 이론적 정밀도는 탑-쿼크 극 질량의 더 정확한 결정을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 테바트론에서 NNLL 재결합은 NLO 예측 대비 약 8% 증가시키며, LHC(7 TeV)에서는 약 3% 증가시킨다.
• 이론적 불확실성은 크게 감소하였으며, 테바트론에서 총 불확실성은 ±6.5 pb, LHC에서는 ±14.7 pb로 NLO 예측보다 훨씬 작다.
• 테바트론에서의 예측 단면적은 σ_tt^Tevatron = 7.22^{+0.31+0.71}_{-0.47-0.55} pb이며, LHC(7 TeV)에서는 σ_tt^LHC = 162.6^{+7.4+15.4}_{-7.5-14.7} pb로, 모두 실험 측정과 양호한 일치를 보인다.
• 쿨롱 결합 상태 효과와 NNLL 재결합을 포함함으로써 고정 순서 QCD가 붕괴하는 임계 영역에서 더 안정적이고 정밀한 예측이 가능해졌다.
• NNLL 예측에서 추출된 탑-쿼크 극 질량은 m_t = 169.8^{+4.9}_{-4.7} GeV이며, 직접 재구성된 값 173.3 ± 1.1 GeV와 일치하지만 질량 정의 불일치에 대한 경고가 있다.
• 다른 NNLL 예측 간의 격차는 테바트론에서 LHC보다 더 크며, 이는 q\bar{q} 채널가 더 낮은 임계 전개 근사에 의해 더 잘 설명되지 않기 때문일 것이다.