[논문 리뷰] Zγγproduction with leptonic decays and triple photon production at NLO QCD

Giuseppe Bozzi, Francisco Campanario외 2명|arXiv (Cornell University)|2011. 07. 15.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 VBFNLO 프레임워크 내에서 몬테카를로 구현을 사용하여 하이드론 충돌기에서 $Z\gamma\gamma$ 생성 및 삼광자 생성에 대한 다음 최고 순서(NLO) QCD 보정을 제시한다. $Z\gamma\gamma$의 경우 약 1.5, $\gamma\gamma\gamma$의 경우 약 2.6인 큰 K인자 보정을 발견하였으며, 이는 척도 변화 추정치를 크게 초월하여 새로운 물리 탐색에서 정확한 배경 모델링을 위해 완전히 미분 가능한 NLO 계산이 필요하다고 결론내린다.

ABSTRACT

We present a calculation of the O(alpha_s) QCD corrections to the production of a Z boson in association with two photons and to triple photon production at hadron colliders. All final-state photons are taken as real. For the Z boson, we consider the decays both into charged leptons and into neutrinos including all off-shell effects. Numerical results are obtained via a Monte Carlo program based on the structure of the VBFNLO program package. This allows us to implement general cuts and distributions of the final-state particles. We find that the NLO QCD corrections are sizable and significantly exceed the expectations from a scale variation of the leading-order result. In addition, differential distributions of important observables change considerably. The prediction of two-photon-associated Z production with Z decays into neutrinos from the charged-lepton rate works well, once we use an additional cut on the invariant mass of the charged-lepton pair.

연구 동기 및 목표

• Z의 렙톤 붕괴 및 중성미료 붕괴 방식을 모두 포함한 $Z\gamma\gamma$ 생성에 대한 NLO QCD 보정을 계산하는 것.
• 하이드론 충돌기에서 삼광자 생성($\gamma\gamma\gamma$)에 대한 NLO QCD 보정을 계산하는 것.
• 정밀도 배경 추정을 위한 통합 및 미분 단면적에 대한 NLO 보정의 영향을 평가하는 것.
• 운동량 절단을 통해 $Z\to\ell^+\ell^-$ 붕괴 모드가 $Z\to\ \nu\bar{\nu}$ 모드를 신뢰성 있게 예측할 수 있는지 평가하는 것.
• 하이드론 충돌기에서 삼벡터보스 생성의 NLO QCD 프로그램을 완성하는 것, 비구속 및 렙톤 붕괴 효과 포함.

제안 방법

• VBFNLO 프레임워크 기반의 몬테카를로 구현을 사용하여 $Z\gamma\gamma$의 경우 $\mathcal{O}(\alpha_s\alpha^4)$, $\gamma\gamma\gamma$의 경우 $\mathcal{O}(\alpha_s\alpha^3)$까지의 NLO QCD 보정을 계산하였다.
• Z 및 가상 광자 붕괴를 독립적으로 효율적으로 계산하기 위해 '렙톤 텐서'를 사용하여 계산 비용을 감소시켰다.
• 완전히 배제적인 파arton 수준 몬테카를로 프로그램을 사용하여 일반적인 절단 및 분포를 포함한 위상공간 통합을 수행하였다.
• 가상 보정 및 실제 보정에 대한 광범위한 교차검증을 수행하였으며, 적분의 수치적 안정성을 확보하기 위해 적분의 적분 및 초월적 유한성도 검토하였다.
• 이론적 불확실성을 추정하기 위해 척도 변화($\mu = \mu_0/2$에서 $2\mu_0$)를 사용하였으며, 인식 및 재정규화 척도의 동시 변화를 적용하였다.
• 쿼크 라인 복사만을 분리하기 위해 이레프톤의 질량 불변 조건($|m_{\ell\ell} - m_Z| < 2\Gamma_Z$)을 도입하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z가 양성전자 및 중성미오로 붕괴하는 $Z\gamma\gamma$ 생성에 대한 NLO QCD 보정은 얼마나 큰가?
• RQ2 광자 간 거리, 미소한 횡방향 운동량, $p_T$와 같은 관측량의 미분 분포가 LO와 NLO 간에 얼마나 다를까?
• RQ3 배경 추정에서 새로운 물리 탐색을 위해 $Z\to\ell^+\ell^-$ 붕괴 모드가 $Z\to\ \nu\bar{\nu}$ 모드를 신뢰성 있게 예측할 수 있는가?
• RQ4 제트 보존이 $Z\gamma\gamma$ 및 $\gamma\gamma\gamma$ 과정의 미분 K인자 형태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 크기 및 위상공간 의존성 측면에서 NLO 보정은 척도 변화 추정치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• Z\gamma\gamma 생성에 대한 NLO QCD 보정은 상당히 크며, $Z\to\ell^+\ell^-$ 및 $Z\to\ \nu\bar{\nu}$ 붕괴 모두에 대해 통합 K인자가 약 1.5이다.
• 삼광자 생성($\gamma\gamma\gamma$)의 경우 NLO 보정은 더욱 크며, K인자가 약 2.6로, 10–16%의 척도 변화 추정치를 크게 초월한다.
• 광자 간 거리($R_{\gamma\gamma}$) 및 미소한 횡방향 운동량와 같은 핵심 관측량의 미분 K인자는 위상공간 전반에서 강한 변동성을 보이며, 단순한 LO 결과의 재척도는 부적절하다는 것을 시사한다.
• 제트 보존은 미분 K인자를 평탄하게 하지 않으며, 따라서 정확한 모델링을 위해 완전히 배제적인 NLO 계산이 필수적이다.
• 이레프톤 질량 불변 조건($|m_{\ell\ell} - m_Z| < 2\Gamma_Z$)을 적용할 경우, 주로 쿼크 라인 복사 메커니즘이 분리되므로 $Z\to\ell^+\ell^-$ 붕괴 모드가 $Z\to\ \nu\bar{\nu}$ 모드를 정확히 예측할 수 있다.
• 척도 변화에 의한 이론적 불확실성은 각각 $Z_{\ell}\gamma\gamma$, $Z_{\nu}\gamma\gamma$, $\gamma\gamma\gamma$에 대해 9.0%, 7.5%, 18.6%이며, 동시 변화로 인한 상쇄 효과로 4% 이하로 감소한다.