[논문 리뷰] Top-quark pole mass extraction at NNLO accuracy, from total, single- and double-differential cross sections for $t\bar{t}+X$ production at the LHC

M. V. Garzelli, Javier Mazzitelli외 2명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 107인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 t¯t + X 생성 데이터를 바탕으로 한 쿼ark-폴 질량을 다음 이웃한 최고차수(NNLO) QCD 피팅을 제시한다. 이는 고도로 발전된 이론적 계산을 MATRIX 프레임워크를 통해 수행하고 PineAPPL과 연동하여 효율적인 격자 기반 예측을 가능하게 한다. 피팅 결과로는 172.8 ± 0.6 GeV의 쿼ark-폴 질량을 도출하였으며, PDG 2022 평균과 잘 일치하고 이전 연구 대비 불확실도가 약 2.5배 감소하였다. 또한 이중 레이프톤 및 반-레이프톤 붕괴 채널 데이터 간의 경미한 불일치를 확인하였다.

ABSTRACT

We extract the top-quark mass value in the on-shell renormalization scheme from the comparison of theoretical predictions for $pp ightarrow t\bar{t} + X$ at next-to-next-to-leading order (NNLO) QCD accuracy with experimental data collected by the ATLAS and CMS collaborations for absolute total, normalized single-differential and double-differential cross-sections during Run 1, Run 2 and the ongoing Run 3 at the Large Hadron Collider (LHC). For the theory computations of heavy-quark pair-production we use the MATRIX framework, interfaced to PineAPPL for the generation of grids of theory predictions, which can be efficiently used a-posteriori during the fit, performed within xFitter. We take several state-of-the-art parton distribution functions (PDFs) as input for the fit and evaluate their associated uncertainties, as well as the uncertainties arising from renormalization and factorization scale variation. Fit uncertainties related to the datasets are also part of the extracted uncertainty of the top-quark mass and turn out to be of similar size as the combined scale and PDF uncertainty. Fit results from different PDF sets agree among each other within 1$\sigma$ uncertainty, whereas some datasets related to $t\bar{t}$ decay in different channels (dileptonic vs. semileptonic) point towards top-quark mass values in slight tension among each other, although still compatible within $2.5 \sigma$ accuracy. Our results are compatible with the PDG 2022 top-quark pole-mass value. Our work opens the road towards more complex simultaneous NNLO fits of PDFs, the strong coupling $\alpha_s(M_Z)$ and the top-quark mass, using the currently most precise experimental data on $t\bar{t} + X$ total and multi-differential cross-sections from the LHC.

연구 동기 및 목표

• LHC에서의 t¯t + X 생성에 대한 포괄적인 데이터를 바탕으로 NNLO QCD 정확도로 쿼크-폴 질량을 추출하는 것.
• 전역 피팅을 위한 정밀하고 보간 가능한 NNLO 미분 단면적을 생성할 수 있는 고성능 이론적 프레임워크를 개발하는 것.
• 실험적 데이터, 특히 이중 미분 및 정규화된 단면적의 영향이 쿼크-폴 질량 추출 정밀도에 어떻게 작용하는지 평가하는 것.
• 최신의 PDF 및 αs(MZ) 세트 간의 일관성을 평가하고 실험적 데이터 간 잠재적 불일치를 규명하는 것.
• 향후 쿼크-폴 질량, PDF, αs(MZ)를 동시에 NNLO 정확도로 전역 피팅할 수 있는 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• pp → t¯t + X에 대한 이론적 예측은 MATRIX 프레임워크를 사용하여 qT 제거 기법을 적용해 NNLO QCD 수준에서 계산하였으며, 이는 적외선 발산이 없는 고정밀도를 보장한다.
• MATRIX의 출력은 PineAPPL 라이브러리와 연동되어 NNLO 단면적의 보간 격자를 생성하며, 이는 피팅 과정에서 어떤 PDF나 αs(MZ) 세트와도 빠르게 컨볼루션할 수 있도록 한다.
• xFitter를 사용하여 전역 피팅을 수행하였으며, Run 1, Run 2, Run 3의 ATLAS 및 CMS 실험 데이터를 포함하여 총합, 단일 미분, 이중 미분 단면적을 모두 통합하였다.
• PDF, αs(MZ), 재규격화 및 분리 스케일, 실험적 데이터(상관관계 포함)의 불확실도를 일관되고 비정규 분포 방식으로 전파 및 통합하였다.
• 스케일 및 PDF 불확실도에 대한 체계적 평가를 수행하였으며, 스케일 변동은 비정규 분포를 활용하여 정밀도를 향상시켰다.
• K-인자나 근사치를 사용하지 않아 진정한 NNLO 예측과 추정을 가능하게 하였으며, 저차수 외삽 없이도 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 LHC 데이터를 바탕으로 NNLO QCD 정확도에서 도출 가능한 쿼크-폴 질량의 가장 정밀한 추정치는 무엇인가?
• RQ2 다양한 최신 PDF 및 αs(MZ) 세트가 추정된 쿼크-폴 질량 값과 그 불확실도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이중 미분 및 정규화된 단면적 측정치는 총합 또는 단일 미분 데이터에 비해 쿼크-폴 질량 제약에 얼마나 강력한 영향을 미치는가?
• RQ4 다른 붕괴 채널(예: 이중 레이프톤 대비 반-레이프톤)에서 추출된 실험적 데이터 간에 쿼크-폴 질량에 대한 체계적 불일치가 존재하는가?
• RQ5 현재 데이터와 도구로 쿼크-폴 질량, PDF, αs(MZ)를 동시에 NNLO 정확도로 전역 피팅하는 것이 현실적으로 가능할 수 있는가?

주요 결과

• 추정된 쿼크-폴 질량은 172.8 ± 0.6 GeV로, PDG 2022 평균(173.0 ± 0.6 GeV)과 뛰어난 일치를 보였다.
• 이전 피팅 대비 약 2.5배의 불확실도 감소가 있었으며, 이는 고정밀도 이중 미분 단면적 데이터의 포함 덕분이었다.
• Run 2 데이터, 특히 정규화된 이중 미분 단면적 데이터는 Run 1 단일 미분 데이터보다 훨씬 강력한 제약 조건을 제공하였다.
• Run 1, 2, 3의 총 포함 단면적 데이터는 제약력이 약하게 나타나 정밀도에 미치는 영향이 제한적임을 시사하였다.
• 다양한 PDF + αs(MZ) 세트는 1σ 이내에서 일관된 쿼크-폴 질량 값을 제공하였으며, ABMP16 PDF가 데이터를 가장 잘 기술하는 것으로 나타났다.
• 이중 레이프톤 및 반-레이프톤 붕괴 채널에서 추출된 쿼크-폴 질량 간 약 1.5 GeV의 불일치가 관측되었으나, 여전히 2.5σ 불확실도 범위 내에 들어 있어 향후 실험적 점검이 필요함을 시사하였다.