[論文レビュー] Exploring the LHC Landscape with Dileptons

D. Bourilkov|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける二重レプトン生成の高精度計算を提示する。Drell-Yan過程にNNLO QCD補正とNLO電弱補正を加え、光子誘発背景も含めた。高質量の共鳴状および非共鳴状の新物理探索におけるバックグラウンド推定を改善することを目的としている。研究では、LHCデータと優れた一致が得られ、100 fb⁻¹の光度において、組み合わせた電子対およびミュオン対チャンネルで2.5 TeVを超える領域に約2イベントの予測が得られた。

ABSTRACT

The dilepton decay channels provide clean signatures and are an ideal hunting ground for high mass resonant, like Z', or non-resonant, like contact interactions or extra dimensions, searches at the LHC. The production of high invariant mass opposite sign lepton pairs in proton-proton collisions in the Standard Model is dominated by the Drell-Yan process. In addition to this photon or Z exchange mediated mechanism, photons radiated by the incoming protons can collide and produce lepton pairs. In this paper detailed calculations of the Drell-Yan process at next-to-next-to-leading order in QCD and next-to-leading order in the electroweak corrections, augmented with the photon-induced effects, are presented in the typical acceptance of a multi-purpose LHC detector at center of mass energy 13 TeV. Estimates of the expected backgrounds for new physics searches are provided for dilepton invariant masses up to the LHC kinematic limit.

研究の動機と目的

• 新物理探索のため、LHCにおける高インvariant質量二重レプトン生成の高精度予測を提供すること。
• 高質量領域におけるDrell-Yanバックグラウンドおよび光子誘発寄与を、運動的限界まで定量すること。
• バックグラウンド推定に及ぼすNNLO QCD補正、電弱効果、およびPDF不確実性の影響を評価すること。
• 理論的予測とLHCデータの比較、特に電子対およびミュオン対チャンネルにおいて、フレームワークの妥当性を検証すること。
• 正確なバックグラウンドモデル化を通じて、将来の共鳴状（例：Z'）および非共鳴状（例：接触相互作用、追加次元）新物理探索を支援すること。

提案手法

• 計算は、Gμ表記法とαs(MZ) = 0.118を用いたFEWZプログラムを用いて実施された。
• Drell-Yan過程にNNLO QCD補正を適用し、スケール依存性を約1–2%に低減した。
• NLO電弱補正にはQED（最終状態放射、初期状態放射、干渉項）および弱補正（頂点、ボックス、自己エネルギー）を含めた。
• 光子始状態（PI）過程は、最新の光子PDF（例：LUXqed_plus_PDF4LHC15）を用いてγγ → ℓ⁺ℓ⁻寄与をモデル化した。
• PDF不確実性は、PDF4LHC15の手続きに従い、CT14、NNPDF30、LUXqed_plus_PDF4LHC15のセットを用いて再重み付け技術で評価した。
• 運動的カットを適用：両レプトンの|η| < 2.4、pT > 50 GeV、光子がレプトンに近接する場合はΔR > 0.1。"ドレッシング"された電子は、ΔR < 0.1の範囲内の近接光子を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVでの高質量二重レプトン生成における、NNLO QCD補正がDrell-Yan断面積に与える影響は何か？
• RQ2 高インvariant質量領域において、光子誘発バックグラウンド（γγ → ℓ⁺ℓ⁻）はDrell-Yan過程に比べてどの程度顕著か？
• RQ3 高質量二重レプトン断面積予測における主な不確実性源は何か。特にPDFとαsの影響は？
• RQ4 電弱補正は、電子対およびミュオン対の最終状態における微分断面積および全断面積にどのように影響するか？
• RQ5 理論的予測は、LHC観測データと高質量二重レプトン領域でどの程度一致するか？

主な発見

• NNLO QCD補正により、スケール依存性が1–2%のレベルにまで低減され、理論的精度が顕著に向上した。
• 電弱補正（特にQED効果）は、高インvariant質量域で断面積に最大約5%の修正を加え、電子対チャンネルでより顕著な効果を示した。
• 光子誘発バックグラウンドは、高質量域で全断面積の最大約10%を占め、(DY+PI)/DY比は2.5 TeVで約1.1のピークを示した。
• PDF不確実性が理論的不確実性の主因であり、特に高質量領域で顕著で、NNLO PDFセット（例：LUXqed_plus_PDF4LHC15）を用いることで不確実性が約2–3%にまで低減された。
• 100 fb⁻¹の光度における理論的予測では、電子対チャンネルで約26.6イベントが予測され、観測された26.6イベントと優れた一致を示した。
• 組み合わせた電子対およびミュオン対チャンネルにおいて、2.5 TeVを超える領域の予想イベント数は約2であり、CMSが観測した1件の2.9 TeVイベントと整合的であった。