[論文レビュー] PROSPINO: A Program for the Production of Supersymmetric Particles in Next-to-leading Order QCD

W. Beenakker, R. Höpker+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 295

ひとこと要約

PROSPINO は、ハドロン衝突装置における超対称粒子（クォーク超粒子とグルーコリック粒子）の生成断面積に対する次-leading order (NLO) 量子色力学 (QCD) 補正を計算する Fortran プログラムです。全断面積および横運動量と急速度の微分断面積を、ユーザー定義のカットを含めて提供し、すべての最終状態で完全な NLO 精度を達成しています。これにより、スケール依存性の低減と断面積の最大 2 倍の増加により、leading-order 予測に比べて理論的精度が著しく向上します。

ABSTRACT

A Fortran-program for the production cross-sections of squarks and gluinos at hadron colliders is described. It includes full next-to-leading order SUSY-QCD corrections to all possible final states ($\squark\squarkbar, \gluino\gluino, \squark\gluino, \squark\squark$). The program allows to calculate total cross-sections as well as differential distributions in the transverse momentum p_t and the rapidity y of one of the outgoing particles. In addition cuts in p_t and y can easily be implemented.

研究の動機と目的

• 次-leading order QCD 補正を組み込むことで、ハドロン衝突装置における超対称粒子生成の正確な理論的予測を提供すること。
• NLO 補正を組み込むことで、断面積予測におけるスケール依存性による理論的不確実性を低減すること。
• 実験的解析のための横運動量および急速度の微分分布を正確にシミュレートできること。
• カスタマイズ可能なカットとパートン密度セットを備えた、柔軟でユーザー設定可能なツールを提供することで、コライダー物理学を支援すること。

提案手法

• プログラムは、$ \frac{d^2\sigma}{dp_t\,dy} = 2p_t S \sum_{i,j} \int dx_1 dx_2 \, x_1 f_i^{h_1}(x_1,Q^2) x_2 f_j^{h_2}(x_2,Q^2) \frac{d^2\hat{\sigma}_{ij}}{dt\,du} $ の式を用いて二重微分断面積を計算し、パートンの光度にわたる統合を実行します。
• すべての最終状態 $ \tilde{q}\bar{\tilde{q}}, \tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q} $ に対して、leading-order (LO) および next-to-leading-order (NLO) の行列要素を実装し、完全な色およびスピン平均を含んでいます。
• 多変数位相空間積分の高精度評価のため、VEGAS アダプティブ モンテカルロ法を用いた数値統合を実行しています。
• GRV94、MRS(A’)、PDFLIB などの複数のパートン密度セットをサポートしており、ユーザー定義の相互作用スケール・因子化スケール（$ Q = \sqrt{m_{\tilde{q}}^2 + p_t^2} $ を含む）を許可しています。
• 赤外発散のための減算手続きを実装し、一貫した $ \overline{MS} $ 標準化法により、オンシェル中間状態を処理しています。
• 行列要素、統合ルーチン、制御論理のコード構造が分離されており、モジュラーな拡張性と出力レイアウトおよび運動量カットのユーザーカスタマイズが可能になっています。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLO QCD 補正は、ハドロン衝突装置におけるクォーク超粒子およびグルーコリック粒子の生成断面積に、leading-order 予測と比較してどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 NLO 補正は、超対称粒子生成におけるスケール依存性による理論的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ3 統一された Fortran フレームワークを用いて、さまざまな最終状態の横運動量および急速度の微分分布をどの程度正確に計算できるか？
• RQ4 カスタマイズ可能なカットとパートン密度セットを備えた、柔軟でユーザー設定可能なプログラムを、全断面積および微分断面積を計算するために開発可能か？

主な発見

• NLO QCD 補正により、クォーク超粒子およびグルーコリック粒子の生成断面積は、leading-order 予測に比べ最大 2 倍まで増加しました。
• NLO 補正の組み込みにより、相互作用スケールおよび因子化スケールへの依存性が顕著に低減され、理論的安定性が向上しました。
• $ \sqrt{S} = 1800 $ GeV の陽子-反陽子衝突装置において、$ \tilde{q}\bar{\tilde{q}} $ 生成の全断面積は、LO 時に 0.7028 ± 0.0017 pb、NLO 時に 0.8333 ± 0.0021 pb となりました。
• 横運動量 $ p_t = 50 $ GeV における微分断面積 $ d\sigma/dp_t $ は、LO 時に 0.02488 ± 0.0016 pb/GeV、NLO 時に 0.03547 ± 0.0018 pb/GeV となりました。
• シルコン グラフィックス ワークステーションで、フルテストケースの典型的な実行時間は約 35 分で、高い精度を達成しています。
• コードはモジュラーかつ拡張可能であり、さまざまなパートン密度セットをサポートしており、新しいカットや運動量設定の実装が容易です。