[论文解读] Isolated photon production in association with a jet pair through next-to-next-to-leading order in QCD

Simon Badger, M. Czakon+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 13, 2023

High-Energy Particle Collisions Research被引用 6

一句话总结

本论文首次实现了质子-质子碰撞中孤立光子+二胶球产生过程的下一阶下一阶（NNLO）QCD计算，采用精确的五点二-loop虚振幅，未使用主导色近似。结果表明，与ATLAS实验数据相比，NNLO计算结果在精度上优于低阶微扰计算及部分子簇射匹配结果，且次主导色效应在尺度不确定度范围内可忽略不计。

ABSTRACT

In this work, we provide a comprehensive set of differential cross-section distributions for photon + di-jet production in proton-proton collisions with next-to-next-to-leading order precision in massless QCD. The event selection corresponds to recent measurements by the ATLAS collaboration. We observe an improved description of data in comparison to lower-order calculations in the case of observables that are expected to be well described by perturbation theory. The results also show better agreement with data than parton-shower-matched and multi-jet-merged predictions generated for the ATLAS analysis using the extsc{Sherpa} Monte Carlo. A particular highlight of our study is the use of exact five-point two-loop virtual amplitudes. This is the first calculation of a complete two-to-three hadron-collider process at next-to-next-to-leading order in QCD that does not rely on the leading-colour approximation at two loops. We demonstrate, nevertheless, that the sub-leading-colour effects present in the infrared- and ultraviolet-finite double-virtual contributions are negligible in view of the remaining scale uncertainties.

研究动机与目标

• 计算质子-质子碰撞中孤立光子+二胶球产生过程在无质量QCD中的NNLO微分截面分布。
• 为完整的2→3强子对撞机过程提供一个在二圈阶下完全脱离主导色近似的高精度计算。
• 评估双虚振幅中次主导色贡献对物理可观测量的影响。
• 将NNLO预测与ATLAS实验数据及现有的部分子簇射匹配或合并的蒙特卡罗结果进行比较。
• 验证在高重道数QCD过程这一具有物理意义的场景中，使用精确二圈五点振幅的可行性。

提出的方法

• 基于单位性方法，采用动量扭量变量计算精确的二圈五点振幅。
• 引入自旋空间依赖的旋量相位因子，以恢复动量扭量形式中丢失的旋量信息。
• 实施系统化算法，对部分振幅执行宇称变换与动量排列操作。
• 通过复共轭与宇称操作，计算物理截面所需的平方矩阵元。
• 通过五边形函数与超越常数的求和，构建完整振幅，其中包含自旋特异性系数。
• 通过解析一致性检验与不同外部动量排列下的显式排列关系，验证方法的正确性。

Figure 1: Representative two-loop Feynman diagrams for the $0\to\bar{q}qgg\gamma$ partonic process, together with the partial amplitudes they contribute to.

实验结果

研究问题

• RQ1 双虚二圈振幅中的次主导色贡献在孤立光子+二胶球产生过程的最终物理可观测量中有多大影响？
• RQ2 能否在不依赖主导色近似的情况下，实现强子对撞机中2→3过程的完整NNLO QCD计算？
• RQ3 NNLO预测与ATLAS实验数据在孤立光子+二胶球产生过程的微分分布上相比如何？
• RQ4 精确二圈虚振幅对微扰QCD预测的理论不确定度与收敛性有何影响？
• RQ5 与ATLAS分析中使用的部分子簇射匹配及多胶球合并蒙特卡罗预测相比，本研究结果如何？

主要发现

• 本研究通过精确的二圈五点振幅，实现了质子-质子碰撞中孤立光子+二胶球产生过程的NNLO精度计算。
• 本研究首次提供了在二圈阶下完全不依赖主导色近似的2→3强子对撞机过程的完整NNLO QCD结果。
• 双虚贡献中的次主导色效应与剩余尺度不确定度相比可忽略不计。
• NNLO预测与ATLAS数据的符合度显著提高，尤其在微扰理论预期表现良好的可观测量上。
• 结果在描述实验数据方面优于低阶计算以及基于Sherpa的部分子簇射匹配/多胶球合并预测。
• 结合动量扭量变量与自旋依赖相位因子，实现了全振幅的稳健且高效的解析计算。

Figure 2: Representative two-loop Feynman diagrams for the $0\to q\bar{q}Q\bar{Q}\gamma$ partonic process, together with the partial amplitudes they contribute to.