[論文レビュー] B-hadron hadro-production in NNLO QCD: application to LHC $t\bar{t}$ events with leptonic decays

M. Czakon, Terry Generet+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、摂動的フラグメンテーション関数に基づく柔軟な数値フレームワークを用いて、ハドロン衝突におけるBヒッグス粒子生成の最初の完全微分的NNLO QCD計算を提示する。この形式をLHCにおけるトップクォーク対生成事象に適用し、トップクォーク質量測定に不可欠なBヒッグス粒子分布の高精度な予測を提供するとともに、LHCデータからのフラグメンテーション関数の抽出を可能にする。

ABSTRACT

We calculate, for the first time, the NNLO QCD corrections to identified heavy hadron production at hadron colliders. The calculation is based on a flexible numeric framework which allows the calculation of any distribution of a single identified heavy hadron plus jets and non-QCD particles. As a first application we provide NNLO QCD predictions for several differential distributions of $B$ hadrons in $t\bar t$ events at the LHC. Among others, these predictions are needed for the precise determination of the top quark mass. The extension of our results to other processes, like open or associated $B$ and charm production is straightforward. We also explore the prospects for extracting heavy flavor fragmentation functions from LHC data.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突における識別されたBヒッグス粒子生成に対する、初めてのNNLO QCD補正を計算すること。
• 単一の識別された重いハドロンおよびジェット、非QCD粒子の微分的分布を計算できる柔軟な数値フレームワークを開発すること。
• LHCにおけるトップクォーク対生成および崩壊にこのフレームワークを適用し、トップクォーク質量決定に寄与するBヒッグス粒子観測量に焦点を当てること。
• 提案された形式を用いて、LHCデータからBヒッグス粒子フラグメンテーション関数を抽出する可能性を検討すること。
• 厳密なチェックを通じて計算設定を検証すること。具体的には、e⁺e⁻衝突における解析的結果との比較およびトップクォーク崩壊における運動量和則の検証を行う。

提案手法

• トップクォーク対生成のような大きなハードスケールを持つ過程に適した、質量ゼロの摂動的フラグメンテーション関数（PFF）形式を採用し、高pT領域における大きな対数を再結合化する。
• すべてのパートンチャンネルおよび衝突的カウンターテルムを含み、pp → t¯t + X → B + X におけるNNLO QCDで完全微分断面積を数値的に計算するフレームワークを実装する。
• 摂動的展開の整合性を保つために、NNLOでのFFKMフラグメンテーション関数を用いてbクォークからBヒッグス粒子へのフラグメンテーションをモデル化する。
• トポロジーの微分的分布（例えば横運動量およびエネルギースペクトルなど）を計算するため、t¯t事象におけるBヒッグス粒子の分布に形式を適用する。
• 2つの重要なチェックを実施する：(1) e⁺e⁻衝突におけるBヒッグス粒子エネルギースペクトルを、NNLOでの正確な解析的結果と比較する。 (2) トップクォーク崩壊における運動量和則をNNLOで検証する。
• NNLOフレームワークを用いて、LHCデータからBヒッグス粒子フラグメンテーション関数を抽出するのに適した新しい観測量を定義する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 識別されたBヒッグス粒子生成におけるNNLO QCD補正を、数値フレームワークを用いてハドロン衝突で信頼性高く計算できるか？
• RQ2 NNLO QCD補正は、LHCにおけるトップクォーク対事象におけるBヒッグス粒子の微分的分布にどのように影響を与えるか？
• RQ3 提案された形式を用いて、LHCデータからBヒッグス粒子フラグメンテーション関数をどの程度まで抽出できるか？
• RQ4 数値実装は、既知の解析的結果および物理的和則（例えばトップクォーク崩壊における運動量保存）を正しく再現しているか？

主な発見

• e⁺e⁻衝突におけるBヒッグス粒子生成のNNLO QCD計算の数値実装は、全運動量領域においてモンテカルロ統計誤差の範囲内で、正確な解析的結果と一致している。
• トップクォーク崩壊における運動量和則は、純粋なNNLOレベルで3%の数値精度内で満たされており、係数関数計算の正しさが裏付けられている。
• フレームワークは、LHCにおけるt¯t事象におけるBヒッグス粒子の完全微分的分布を正しく計算できており、すべての運動量およびスケール依存性がNNLOで適切に取り入れられている。
• 大きなトップクォーク質量が自然なハードスケールを提供しており、mb^nに比例する高次項効果は無視できるほど小さいため、この文脈では質量ゼロのbクォークPFF形式の使用が正当化される。
• 本研究では、LHCデータからBヒッグス粒子フラグメンテーション関数を抽出するのに特に適した、新しい観測量を同定した。
• フレームワークは、オープンまたは関連するBおよび charm 粒子生成への拡張が容易であり、今後の重いフラバー過程の広範な応用が可能になる。