[论文解读] Next-to-leading order corrections to Wt production and decay

John M. Campbell, Francesco Tramontano|ENLIGHTEN (Jurnal Bimbingan dan Konseling Islam)|Jun 28, 2005

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 31

一句话总结

本文对大型强子对撞机（LHC）上 $Wt$ 产生与衰变过程进行了下一阶修正（NLO）量子色动力学（QCD）计算，包含完整的自旋关联以及顶夸克衰变中的胶子辐射。结果表明，NLO修正较为温和——最大不超过10%，显著降低了通过 $H\to WW^\star$ 途径进行希格斯玻色子搜寻时的背景事例数，同时改变了关键的运动学分布。

ABSTRACT

We present the results of a next-to-leading order calculation of Wt production, including the decays of both the top quark and the W boson. The effects of radiation in the decay of the top quark are also included. The separation of diagrams which appear in the real corrections, into singly- and doubly-resonant contributions, is performed using a b-jet veto which is motivated by the use of the bottom quark distribution function. We find that, for a choice of scale which is suitable for this approach, the QCD corrections are very mild and only change the cross section by up to 10% at the LHC, depending on the severity of the b-jet veto. When further cuts are applied, applicable for a Higgs boson search in the H->WW channel, we find that the radiative effects greatly decrease the number of background events expected from this process. In addition, the shapes of relevant distributions can be significantly changed at next-to-leading order.

研究动机与目标

• 提供$Wt$产生与衰变的精确NLO QCD计算，包含完整的自旋关联以及顶夸克衰变中的胶子辐射。
• 通过基于底夸克分布函数的$b$-喷流 veto，解决在真实修正中分离单共振与双共振贡献的挑战。
• 评估NLO修正对希格斯玻色子搜寻中（通过$H\to WW^\star$）事例率与运动学分布的影响。
• 提高LHC上希格斯玻色子分析中背景估计的理论精度，特别是针对带有轻子与缺失横向动量的$H\to WW^\star$衰变道。

提出的方法

• 对顶夸克采用壳模型近似，将产生与衰变视为两个独立阶段，由于顶夸克宽度较大（$\Gamma_t/m_t \approx 1\%$），其干涉效应可忽略不计。
• 采用先前单顶夸克计算中使用的方法，通过无质量旋量乘积与解析延拓处理入射动量。
• 实施$b$-喷流 veto，以在真实修正中分离单共振（$Wt$）与双共振（$t\bar{t}$）贡献。
• 执行完整的NLO计算，包括虚修正、实辐射及重正化，通过维维蒂方法处理红外与紫外发散。
• 采用$\overline{\text{MS}}$方案进行重正化，并包含波函数与耦合常数的重正化贡献。
• 将矩阵元表示为旋量螺旋度振幅与标量积分（如$C_0^A$、$L_1^6$、$\text{Li}_2$）的形式，并给出振幅的显式解析表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 NLO QCD修正如何影响LHC上$Wt$产生与衰变的总截面？
• RQ2 在顶夸克衰变中包含胶子辐射，对末态运动学分布与事例率有何影响？
• RQ3 $b$-喷流 veto切片如何影响$Wt$产生中单共振与双共振贡献的分离？
• RQ4 NLO修正在多大程度上改变了与$H\to WW^\star$通道中希格斯玻色子搜寻相关的关键运动学分布形状？
• RQ5 在包含探测器类似切片的现实希格斯玻色子搜寻分析中，NLO修正如何降低$Wt$产生带来的背景？

主要发现

• LHC上$Wt$产生截面的NLO QCD修正较为温和，修正幅度最大不超过10%，具体取决于$b$-喷流 veto的严格程度。
• 在顶夸克衰变中包含胶子辐射显著改变了运动学分布的形状，特别是在末态包含喷流与缺失横向动量的情形下。
• 当对$H\to WW^\star$通道应用现实的探测器接受度与搜寻切片时，NLO修正使$Wt$产生带来的背景事例数显著减少。
• 通过使用底夸克分布函数，$b$-喷流 veto 能够合理且有效地将双共振$t\bar{t}$贡献与$Wt$过程分离。
• NLO结果表明，$Wt$背景估计的理论不确定性得以降低，从而提高了LHC上希格斯玻色子搜寻的精度。
• 该计算证实，产生与衰变中辐射的干涉效应可忽略不计，验证了该框架中所采用的壳模型近似的合理性。