[论文解读] High-order threshold corrections for top-pair and single-top production

Nikolaos Kidonakis|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 23被引用 5

一句话总结

本文利用近似三圈对数（aN³LO）和近似二圈对数（aNNLO）阈值重整化技术，提出了顶夸克对及单顶夸克产生过程的高精度理论预测。该预测在总截面、横动量分布和快度分布方面，与LHC和Tevatron实验数据高度一致，并准确描述了顶夸克前后向不对称性，证明了高阶量子色动力学修正在13 TeV及更高能量下精确匹配实验测量结果的关键作用。

ABSTRACT

I present results for high-order corrections from threshold resummation to cross sections and differential distributions in top-antitop pair production and in single-top production. I show aN$^3$LO results for the total $t{\bar t}$ cross section as well as for the top-quark transverse momentum ($p_T$) and rapidity distributions, and the top-quark forward-backward asymmetry in $t{\bar t}$ production. I compare with the most recent Tevatron and LHC data, including at 13 TeV. I also present aNNLO results for cross sections and $p_T$ distributions in $t$-channel, $s$-channel, and $tW$-channel single-top production.

研究动机与目标

• 通过高阶量子色动力学修正，提升顶夸克对及单顶夸克产生过程的理论精度。
• 解决早期理论预测与Tevatron实验数据在顶夸克前后向不对称性方面的长期差异。
• 为LHC和Tevatron能量下的微分分布（pT、快度）及总截面提供精确预测。
• 验证基于重整化截面展开的固定阶展开方法相较于传统重整化方案的优越性。
• 将理论精度扩展至13 TeV LHC数据，该处实验不确定性仍较大。

提出的方法

• 采用NNLL阈值重整化方法，计算t¯t产生过程的近似三圈对数（aN³LO）修正，通过固定阶展开至三圈对数，避免方案依赖性。
• 所有数值结果均采用MSTW2008 NNLO部分子分布函数。
• 将相同重整化方法应用于单顶夸克产生，获得t通道、s通道及tW通道过程的aNNLO结果。
• 将重整化截面按αs的幂级数展开，获得不依赖最小方案或其他方案的固定阶预测。
• 将理论预测与ATLAS、CMS、CDF、D0及Tevatron在7、8、13 TeV和1.96 TeV能量下的实验数据进行比较。
• 通过微扰展开计算前向-后向不对称性AFB，包含电弱修正及至αs⁵阶的高阶量子色动力学修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 aN³LO阈值修正如何提升LHC能量下t¯t总截面的理论预测精度？
• RQ2 aN³LO修正在多大程度上解决了理论与Tevatron数据在顶夸克前向-后向不对称性上的长期差异？
• RQ3 aN³LO对单顶夸克产生截面及pT分布的预测在不同通道和对撞能量下与实验数据的符合程度如何？
• RQ4 与标准重整化方案相比，使用重整化截面的固定阶展开对理论精度有何影响？
• RQ5 在13 TeV下，顶夸克横动量与快度的微分分布如何演化？与CMS和ATLAS数据相比如何？

主要发现

• aN³LO对t¯t总截面的预测在7、8、13和14 TeV下与LHC实验数据高度一致，包括CMS和ATLAS最新的13 TeV测量结果。
• aN³LO对顶夸克横动量分布的预测在8和13 TeV下，与CMS在双轻子道和轻子+喷注道的数据均表现出极佳一致性。
• 在8和13 TeV下，aN³LO理论预测的归一化顶夸克快度分布与CMS数据高度一致，尽管13 TeV下实验不确定性较大，但整体一致性未受影响。
• 在1.96 TeV Tevatron能量下，aN³LO对pT与快度分布的预测与D0数据高度一致，包括高pT区域。
• 引入aN³LO量子色动力学修正后，成功解决了与Tevatron前向-后向不对称性数据的过去矛盾，得到在t¯t参考系中AFB = 10.0±0.6%（1.96 TeV）。
• aNNLO对单顶夸克产生截面及t、s和tW通道中pT分布的预测，在1.96、7、8和13 TeV能量下，与ATLAS、CMS、CDF和D0的数据均高度一致。