[論文レビュー] Electroweak and QCD corrections to top-pair hadroproduction in association with heavy bosons

Stefano Frixione, Valentin Hirschi+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 14, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 50被引用数 40

ひとこと要約

本稿では、ハドロン衝突加速器における重い標準模型ボソン（Z、W±、ヒッグス）と関連するトップクォーク対生成過程における次-leading order（NLO）電弱およびQCD補正を、自動化された MadGraph5_aMC@NLO フレームワークを用いて計算している。本稿は、𝒪(αₛ²α²)のオーダーで、完全微分的NLO電弱補正を初めて提示しており、特にグルーオン初期状態過程とQED効果による顕著な補正が、エネルギーおよび横運動量依存性が強く、t̄tW±生成において顕著である。

ABSTRACT

We compute the contribution of order $α_S^2α^2$ to the cross section of a top-antitop pair in association with at least one heavy Standard Model boson -- $Z$, $W^\pm$, and Higgs -- by including all effects of QCD, QED, and weak origin and by working in the automated MadGraph5_aMC@NLO framework. This next-to-leading order contribution is then combined with that of order $α_S^3α$, and with the two dominant lowest-order ones, $α_S^2α$ and $α_Sα^2$, to obtain phenomenological results relevant to a 8, 13, and 100~TeV $pp$ collider.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突加速器における重いボソン（Z、W±、ヒッグス）と関連するトップクォーク対生成過程に対する、𝒪(αₛ²α²)のオーダーでのNLO電弱補正を計算すること。
• 8、13、および100 TeVのpp衝突における、全断面積および微分断面積へのこれらの補正の現象論的影響を評価すること。
• MadGraph5_aMC@NLO フレームワークにおける混合結合展開のためのQED特異性の自動処理の妥当性を検証すること。
• 初期状態の光子および高次のQED寄与が、t̄tV過程に与える影響を定量化すること。
• 将来の高精度測定の観点から、t̄tW±最終状態におけるヒッグス粒子の放射（HBR）過程の重要性を評価すること。

提案手法

• NLO QCDおよび電弱補正の完全自動計算に、MadGraph5_aMC@NLO フレームワークを用いた。
• 𝒪(αₛ²α²)のオーダーで、すべてのQCD、QED、弱い寄与を含み、QED特異性を減算した。
• 現象論的精度を高めるために、LO項 𝒪(αₛ²α) および 𝒪(αₛα²)、およびNLO QCD項 𝒪(αₛ³α) の結果を組み合わせた。
• NLO電弱補正を第二位の寄与として定義するために、混合結合展開方式を用いた。
• K要因の非自明な運動量依存性を捉えるために、完全微分的計算を実施した。
• 独立したRECOLA計算との比較および、類似過程に関する既存の文献との照合を通じて、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVおよび100 TeVでのt̄tV生成に対する𝒪(αₛ²α²)のオーダーのNLO電弱補正の大きさと運動量依存性は何か？
• RQ2 初期状態の光子を含むQED補正は、t̄tHおよびt̄tZ生成の全断面積および微分断面積にどのように影響するか？
• RQ3 高エネルギー領域におけるt̄tW±生成で観測される大きなK要因は、グルーオン初期状態過程がどの程度寄与しているか？
• RQ4 t̄tW±最終状態における高次のヒッグス粒子の放射（HBR）寄与は、どの程度顕著か？
• RQ5 特にスケール変動およびPDFの不確実性から生じる理論的不確実性は、NLO精度の予測にどの程度影響を与えるか？

主な発見

• 𝒪(αₛ²α²)のオーダーでのNLO電弱補正は大きく、非一様であり、中心系エネルギーおよび横運動量とともにK要因が顕著に増加する。特にt̄tW±生成において顕著である。
• 主要な高次の補正の寄与は𝒪(αₛ³α)のQCD寄与であるが、電弱効果も数値的に顕著であり、特に高pTおよび高エネルギー領域では理論的不確実性と同等またはそれ以上に大きな寄与を示す。
• 初期状態の光子寄与は、NLOの𝒪(αₛ²α²)項ではわずかな寄与にとどまるが、t̄tHおよびt̄tZ生成のLOの𝒪(αₛα²)項では大きな寄与を示す。ただし、最終的なNLO断面積へのネット寄与は無視できる。
• 理論的不確実性の主な要因はスケール変動である。PDFの不確実性は小さいが、t̄tHおよびt̄tZの高トップラピディティ領域では無視できない。
• ヒッグス粒子の放射（HBR）過程は、t̄tW±最終状態において検出可能な効果をもたらす可能性があるが、明確な結論を得るには現実的な受容率の検討が必要である。
• MadGraph5_aMC@NLO フレームワークは、混合結合展開におけるQED特異性を特別な調整なしに正しく処理できており、今後の公開版における拡張機能への重要な一歩を示している。