[논문 리뷰] Top-Quark Physics at the LHC

S. Moch, Jürgen Reuter|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 24인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 토큰 쿼크 쌍 및 단일 토큰 생성에 대해 다음 이웃 최고 순서(NNLO) QCD 계산을 제시하며, 이는 토큰 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수의 정밀 측정을 가능하게 한다. 또한 향후 렙톤 충돌기에서 임계점과 연속 영역에서의 토큰 쿼크 생성에 대해 처음으로 완전히 매칭된 배제적 계산을 도입하여, 토큰-요카와 상수 추출 및 진공 안정성 연구의 정밀도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We report on the precision determination of the top-quark mass to next-to-next-to-leading order in QCD in well-defined renormalization schemes using data from the Large Hadron Collider for single-top and top-quark pair production. We also discuss the calibration of the so-called Monte Carlo top-quark mass parameter which is determined from a comparison to events with top-quark decay products. The implications of the measured value of the top-quark mass for conclusions about the stability of the electroweak vacuum state of our Universe are illustrated. At future lepton colliders, we provide for the first time matched exclusive calculations valid both at the top threshold and in the continuum, also fully differentially. In addition, we calculate fully off-shell top-pair production (also with an associated Higgs boson) at next-to-leading order in QCD, which allows to extract the top-Yukawa coupling with an unprecedented precision.

연구 동기 및 목표

• LHC 데이터에서 MS 재규격화 체계를 사용하여 토큰 쿼크 질량 결정에 다음 이웃 최고 순서(NNLO) QCD 정밀도를 달성하기 위해.
• 토큰 쿼크 붕괴 생성물에서의 이벤트 재구성에 사용되는 몬테카를로 토큰 쿼크 질량 매개변수를 校정하기 위해.
• 측정된 토큰 쿼크 질량과 강한 상호작용 상수의 영향을 전기약력 진공의 안정성에 대해 평가하기 위해.
• 향후 e+e− 충돌기에서 토큰 쿼크 쌍 생성에 대해 처음으로 임계점과 연속 영역 모두에서 유효한 완전히 매칭된 배제적 계산을 개발하기 위해.
• 완전히 비상대론적 토큰 쌍 생성과 함께 힉스 보손을 동반한 NLO QCD 계산을 수행하여, 토큰-요카와 상수를 이전에 없던 정밀도로 추출하기 위해.

제안 방법

• Hathor 코드를 사용하여 ABMP16 구간 분포 함수를 사용하여, 포함적인 토큰 쿼크 쌍 및 단일 토큰 생성 단면적에 대해 MS 체계에서 NNLO QCD 보정을 적용한다.
• √s = 7, 8, 13 TeV에서 단면적 예측의 이론적 불확실성을 정량화하기 위해 스케일 및 PDF 불확실성 적용.
• 비상대론적 QCD(NRQCD) 계산의 임계점에서의 결과와 연속 영역의 상대론적 NLO QCD 결과를 매칭하기 위해, 분리된 이중 극 근사와 온셸프로젝션을 사용하며, 게이지 불변성을 유지한다.
• 초기 상태 방사선과 하드-결합 광자에서의 소프트-결합 QED 방사선을 전순서로 요약하며, α의 제3차까지의 정확도를 확보한다.
• e+e− 충돌기에서 t¯tH 및 W+W−b¯bH 과정에 대해 완전한 미분 NLO QCD 계산을 수행하며, 매칭된 임계점 및 연속 영역 결과를 포함한다.
• WHIZARD+OpenLoops 프레임워크를 사용하여 e+e−→t¯tH 및 e+e−→W+W−b¯bH 과정의 LO 및 NLO 단면적을 계산하고 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 데이터에서 √s = 7, 8, 13 TeV일 때, QCD의 NNLO 정밀도로 토큰 쿼크 질량 결정의 정밀도는 어느 정도인가?
• RQ2 실험적 이벤트 데이터와 이론적 예측을 사용하여 몬테카를로 토큰 쿼크 질량 매개변수를 신뢰성 있게 校정할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ3 측정된 토큰 쿼크 질량과 αs가 고에너지 스케일에서 전기약력 진공의 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 향후 렙톤 충돌기에서 비상대론적 임계점과 상대론적 연속 영역 간에 배제적 NLO QCD 계산을 어떻게 매칭할 수 있는가?
• RQ5 NLO QCD에서 완전히 비상대론적 토큰 쌍 생성과 함께 힉스 보손을 동반한 경우, 토큰-요카와 상수 측정의 정밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?

주요 결과

• mt(mt) = 160.9 GeV인 MS 체계와 ABMP16 PDF를 사용하여, √s = 7 TeV일 때 NNLO QCD에서의 포함적 t¯t 단면적은 171.8 +0.1/-5.3 ±3.4 pb이며, √s = 8 TeV일 때는 247.5 +0.0/-7.5 ±4.6 pb, √s = 13 TeV일 때는 831.4 +0.0/-23.1 ±14.5 pb로 계산된다.
• ABMP16 PDF 피팅에서 고정밀도 LHC 데이터와 함께 NNLO QCD 정밀도 덕분에 단면적에 대한 이론적 불확실성이 크게 감소하였으며, PDF+αs+mt의 병합 불확실성은 1–2% 수준이다.
• e+e−→W+bW−¯b에 대해 처음으로 완전히 매칭된 배제적 계산이 제시되며, 연속 영역의 NLO QCD와 임계점에서의 NLL NRQCD를 조합하고, 전체 QED 초기 상태 방사선 효과를 포함한다.
• 매칭된 계산은 스케일 및 비추상적 불확실성을 줄이며, 임계점과 연속 영역을 모두 정확히 기술한다. 이는 순수한 NRQCD가 연속 영역에서 실패하는 것을 방지한다(그림 11의 점선 검은 선으로 표시됨).
• b-제트와 W+ 보손의 진동 질량과 같은 미분 분포는 매칭된 NLO+NRQCD 결과를 사용할 경우 고정순서 NLO만 사용하는 것보다 실험 데이터와 더 잘 일치한다.
• 연구는 향후 렙톤 충돌기에서 NLO QCD에서 완전히 비상대론적 t¯tH 생성을 사용하여 토큰-요카와 상수를 이전에 없던 정밀도로 추출할 수 있음을 입증한다. 이는 표준모형에 대한 민감한 시험을 가능하게 한다.