[论文解读] Precise QCD predictions for W-boson production in association with a charm jet

A. Gehrmann–De Ridder, T. Gehrmann+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文提出了一种W玻色子与粲夸克喷注联合产生的下一阶下一阶（NNLO）量子色动力学（QCD）计算，采用一种新颖的红外和共线安全的味度修饰程序来定义粲喷注。研究发现，在Born阶时奇异夸克分布主导了截面，且高阶修正保持了这种敏感性，从而实现了对质子中奇异夸克及其他味态夸克的精确全球部分子分布函数（PDF）拟合。

ABSTRACT

The production of a $W$-boson with a charm quark jet provides a highly sensitive probe of the strange quark distribution in the proton. Employing a novel flavour dressing procedure to define charm quark jets, we compute $W$+charm-jet production up to next-to-next-to-leading order (NNLO) in QCD. We study the perturbative stability of production cross sections with same-sign and opposite-sign charge combinations for the $W$ boson and the charm jet. A detailed breakdown according to different partonic initial states allows us to identify particularly suitable observables for the study of the quark parton distributions of different flavours.

研究动机与目标

• 计算W+粲喷注产生过程的精确NNLO QCD修正，以提高对部分子分布函数（PDF）的敏感性，特别是奇异夸克分布。
• 开发并实现一种新颖的味度修饰程序，以红外和共线安全的方式定义粲夸克喷注，适用于高阶QCD计算。
• 将产生截面分解为部分子初始态，以识别对特定PDF（如奇异夸克和其它轻夸克）最敏感的可观测量。
• 验证不同电荷构型（同号与异号）及动量区域中预测的微扰稳定性。
• 通过提供一个可靠且高精度的理论框架，使未来全球NNLO PDF全局拟合能够包含W+粲喷注数据。

提出的方法

• 计算在NNLOJET框架内完成，采用胶子-胶子-胶子（antenna）减法方法处理至NNLO阶的实辐射和虚辐射中的红外奇点。
• 实现了一种新的味度修饰程序，以保持红外和共线（IRC）安全性的方式将粲夸克味分配给喷注，避免了次级夸克-反夸克对产生带来的问题。
• 将CKM混合矩阵完全纳入矩阵元中，以正确描述初始态夸克味中的弱同位旋和味改变耦合。
• 在夸克-反夸克胶子-胶子（antenna）函数中实现了电荷追踪，以区分W+与W−的产生，并分离不同味态初始夸克的贡献。
• 在NLO和NNLO阶均执行了部分子通道分解，以分析不同初始态构型（如g+s、q+q和g+q）的相对贡献。
• 数值结果基于与实验测量一致的截断相空间计算得出，并对同号与异号电荷构型进行了详细比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 NNLO QCD修正如何影响W+粲喷注产生的微分截面与总截面？其在不同电荷构型下的微扰稳定性如何？
• RQ2 味度修饰程序在定义粲夸克喷注时，其红外与共线安全性在多大程度上得到保证？与其它喷注味识别方法相比表现如何？
• RQ3 在NNLO阶，哪些部分子初始态主导了W+粲喷注产生的截面？其贡献如何随喷注横动量等动量变量变化？
• RQ4 为何W−+c-喷注截面超过W++-c-喷注？CKM抑制的d价夸克初态过程在该不对称性中扮演何种角色？
• RQ5 通道分解能否揭示对奇异夸克分布函数的增强敏感性？这种敏感性在包含高阶QCD修正后是否依然存在？

主要发现

• 在粲喷注横动量较高时，W−+c-喷注截面约为W++-c-喷注的两倍，主要源于CKM抑制的d价夸克初态过程的主导贡献。
• g+s与s+q初始态在Born阶即为截面的主要贡献者，并在NNLO阶仍保持主导，证实其对奇异夸克分布的敏感性。
• OS−SS相减方法有效抑制了次级粲夸克产生的贡献，验证了味度修饰方法的鲁棒性。
• q(q)q(q)与gq(q)通道由于味态求和与辐射产生粲夸克，导致W++-c-喷注的不对称性大于W−-c-喷注，尤其在大x区域更为显著。
• 在NNLO阶的部分子通道分解结果表明，即使在引入高阶修正后，奇异夸克分布仍为主要探测截面的工具。
• 结果表明，NNLO阶的味度修饰喷注提供了一个可靠且IRC安全的理论框架，可用于高精度PDF拟合，从而实现对质子中奇异夸克组分的更精确确定。