[논문 리뷰] Top-quark processes at NLO in production and decay

John M. Campbell, R. Keith Ellis|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 06.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 34인용 수 18

한 줄 요약

이 논문은 MCFM 몬테카를로 프레임워크 내에서 온-shell(top 쿼크)로 간주함으로써 스핀 상관관계를 유지하면서, 힉 쿼크 생성 및 붕괴 과정에 대한 다음 다수의 순서(NLO) QCD 계산을 제시한다. 생성 및 붕괴 모두에서 전체 NLO QCD 보정을 포함하고, 전체 $b$-쿼크 질량 의존성을 유지하며, 이전에 NLO에서 다루지 못했던 $t$-채널 단일-톱 생성과 붕괴에 대한 최초의 NLO 처리를 제공한다. 이 방법은 LHC 및 테바트론 관측량에 대한 정밀한 현상학적 예측을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We describe the implementation of top production and decay processes in the parton-level Monte Carlo program MCFM. By treating the top quark as being on-shell, we can factorize the amplitudes for top-pair production, s-channel single-top production, and t-channel single-top production into the product of an amplitude for production and an amplitude for decay. In this way we can retain all spin correlations. Both the production and the decay amplitudes are calculated consistently at next-to-leading order in alpha_s. The full dependence on the b-quark mass is also kept. Phenomenological results are presented for various kinematic distributions at the LHC and for the top quark forward-backward asymmetry at the Tevatron.

연구 동기 및 목표

• 강입자 충돌기에서 힉 쿼크 생성 및 붕괴 과정에 대한 일관된 NLO QCD 프레임워크를 개발하기 위해.
• 온-shell 힉 쿼크 근사 하에 생성 및 붕괴 앰플리튜드를 분리함으로써 스핀 상관관계를 유지하기 위해.
• 생성 및 붕괴 앰플리튜드 모두에서 전체 $b$-쿼크 질량 의존성을 NLO 수준에서 포함하기 위해.
• 기존의 NLO 처리를 $t$-채널 단일-톱 생성 과정에 확장하여, 이전에 NLO에서 다루지 못했던 붕괴를 포함하기 위해.
• LHC 및 테바트론 관측량에 대한 현상학적으로 정확한 예측을 제공하기 위해, 운동량 분포 및 전후 비대칭도 포함.

제안 방법

• 스핀 상관관계를 유지하기 위해 생성 및 붕괴 앰플리튜드를 별개의 온-shell 힉 쿼크 과정으로 분리한다.
• NLO QCD 보정을 $\overline{\text{MS}}$ 스킴과 차원 정규화를 사용하여 생성 및 붕괴 앰플리튜드에 모두 구현한다.
• W 보손 붕괴에 대한 Kleiss-Steinhaeuser 매개변수화를 통해 행렬 원소에서 전체 $b$-쿼크 질량 의존성을 유지한다.
• 히드로겐 붕괴 중 실수 글루온 방출에서 발생하는 적외선 및 극한가로 수렴성 문제를 보완하기 위해 보정항을 사용한다.
• 가상 및 실수 보정을 결합함으로써 힉 쿼크 너머에 NLO 효과를 일관되게 포함한다.
• 전체 과정에서 4-플레이버 스킴을 적용하고, 힉 붕괴에서의 $b$-쿼크 최종 상태를 일관되게 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스핀 상관관계를 유지하면서 NLO QCD 보정을 힉 쿼크 생성 및 붕괴 모두에 일관되게 적용하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 NLO 힉 쿼크 붕괴 앰플리튜드에 전체 $b$-쿼크 질량을 포함시키면 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $t$-채널 단일-톱 생성과 붕괴에 대한 NLO 보정의 현상학적 결과는 무엇인가?
• RQ4 NLO QCD 보정이 힉 쿼크 너머에 미치는 영향은 총 너머와 붕괴 분포율에 어떻게 작용하는가?
• RQ5 NLO 수준에서 힉 붕괴의 비온-쉘(W) 보손 효과가 최종 상태 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 논문은 스핀 상관관계와 $b$-쿼크 질량 효과를 포함한 최초의 $t$-채널 단일-톱 생성 NLO QCD 계산을 제시한다.
• 행렬 원소의 간단한 구조 덕분에 $b$-쿼크 질량을 포함시키는 데 있어 계산 비용은 미미하다.
• 현상학적 결과는 LHC에서 $t\bar{t}$ 및 단일-톱 생성의 운동량 분포에 대해 상당한 NLO 보정이 있음을 보여준다.
• 테바트론에서의 힉 쿼크 생성에 대한 전후 비대칭도는 생성 및 붕괴 모두에서 전체 NLO QCD 보정을 적용하여 업데이트되었다.
• NLO 힉 쿼크 너머 계산은 알려진 결과와 일치하며, $W$ 보손의 비온-쉘성과 $b$-쿼크 질량 효과를 포함한다.
• 이 방법은 $t\bar{t}H$, $t\bar{t}Z$, $t\bar{t}W$ 과 같은 더 복잡한 과정에 대해 NLO 수준에서 전체 붕괴 처리를 포함한 확장이 가능하다.