[論文レビュー] NNLO QCD Corrections to t-channel Single Top-Quark Production and Decay

Edmond L. Berger, Jun Gao+2 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Jun 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、5フレーバー体系において、LHCにおけるtチャンネルのシングルトップクォーク生成と崩壊の、最初の完全微分的次々次の摂動的量子色力学（NNLO）計算を提示する。この計算では、幅が狭い近似を用い、プロトン-プロトン間の干渉を無視している。NNLO補正により理論的不確実性が1%レベルにまで低減され、13 TeVにおける受理断面積に対して最大で-6%の補正をもたらす。これは、トップクォークの結合定数や断面積測定の精度を顕著に向上させる。

ABSTRACT

We present a fully differential next-to-next-to-leading order calculation of t-channel single top-quark production and decay at the LHC under narrow-width approximation and neglecting cross-talk between incoming protons. We focus on the fiducial cross sections at 13 TeV, finding that the next-to-next-to-leading order QCD corrections can reach the level of -6%. The scale variations are reduced to the level of a percent. Our results can be used to improve experimental acceptance estimates and the measurements of the single top-quark production cross section and the top-quark electroweak couplings.

研究の動機と目的

• LHCにおけるtチャンネルのシングルトップクォーク生成と崩壊の完全微分的NNLO QCD計算を提供し、高精度な理論予測を可能にする。
• スケール変動を約1%のレベルにまで抑制することで、トップクォーク生成断面積の理論的不確実性を低減する。
• 高次のQCD補正を組み込むことで、実験的受容率の推定値およびトップクォークの電弱結合定数の測定値を改善する。
• パートン分布関数（PDF）の不確実性と摂動的補正の両者に、トップ-アンチトップ電荷比がどれほど敏感であるかを評価する。
• 幅が狭い近似と構造関数アプローチが、NNLOにおいて生成と崩壊の補正を分離する際に妥当であるかを検証する。

提案手法

• トップクォークの幅がその質量に比べて無視できるものと仮定し、幅が狭い近似（NWA）を用いてQCD補正を生成と崩壊の寄与に因子分解する。
• 構造関数アプローチを用い、補正を3つの因子分解可能な部分に分ける：軽クォーク線（V_l）、重クォーク線（V_h）、崩壊部（V_d）。これら間には相互干渉を考慮しない。
• QCDにおいて5フレーバー体系を用い、プロトン間のハドロン系の干渉を無視する。これは1/N_c^2の抑制因子によって正当化される。
• 完全微分的フォースペース統合を実装し、実験的ATLASおよびCMS解析に一致する受理断面積の条件を適用する。
• モンテカルロ技術を用いた数値的統合を用い、包含的および微分的断面積（特に横運動量および擬似急速度分布）を計算する。
• LO、NLO、NNLOの各レベルでの結果を比較し、CT14、MMHT2014、NNPDF3.0のPDFセットを用いてPDF不確実性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおけるtチャンネルのシングルトップクォーク生成と崩壊に対するNNLO QCD補正の大きさとスケール依存性は何か？
• RQ2 実験的カットを適用した場合、NNLO補正が受理断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ3 NLOに比べてNNLOにおいてスケール変動に起因する理論的不確実性はどの程度低減されるか？
• RQ4 トップ-アンチトップ電荷比は、PDFの不確実性と摂動的補正のどちらにより敏感か？
• RQ5 NNLOにおいて構造関数近似が、完全な二ループ虚数補正を干渉項を含まずに正確に記述できるか？

主な発見

• 13 TeVにおける受理断面積に対するNNLO QCD補正は-6%に達し、NLO予測からの顕著なシフトを示している。
• NNLOにおいて理論的予測のスケール不確実性が約1%まで低減され、精度が著しく向上している。
• トップ-アンチトップの受理断面積比は、PDFの不確実性に極めて敏感であり、摂動的補正よりもはるかに強い。このため、PDFの制約に強力なツールとなる。
• NLO補正による電荷比の変化は、大きな擬似急速度領域で約2%に達するが、NNLO補正は1%未満に留まり、収束性が確認された。
• 電荷比はPDFセット（CT14、MMHT2014、NNPDF3.0）の選択に強く依存しており、中央領域では不確実性帯が約1%にわたる。
• 本計算により、構造関数近似がNNLOにおいても有効であることが示された。交差干渉効果は1/N_c^2で抑制されており、主要な結果に顕著な変化をもたらさないと予想される。