[论文解读] Rare Standard Model processes for present and future hadronic colliders

Paolo Torrielli|arXiv (Cornell University)|Jul 7, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 20被引用 9

一句话总结

该论文利用 MadGraph5_aMC@NLO 框架，对强子对撞机上稀有标准模型过程进行了下一阶修正（NLO）QCD 计算，重点研究了多希格斯玻色子、多电弱玻色子及多顶夸克末态。报告首次实现了五玻色子产生和顶-反顶对联合产生一个电弱玻色子及两束喷注的 NLO 精确预测，在 100 TeV FCC-hh 上，截面增强最高可达 1,150 倍，相比 8 TeV LHC。

ABSTRACT

In this talk I present the total cross sections, accurate at the NLO in QCD, for rare Standard-Model hadroproduction processes involving multi-Higgs-boson, multi-electroweak-boson and multi-top-quark final states. The comparison between cross sections at the LHC and at a future circular hadronic collider with up to 100 TeV centre-of-mass energy is detailed. Results relevant to the hadronic production of five electroweak bosons, and of a top-antitop pair in association with an electroweak vector boson and two jets are presented here for the first time with NLO accuracy.

研究动机与目标

• 为强子对撞机上涉及多个希格斯玻色子、电弱矢量玻色子和顶夸克的稀有标准模型过程提供精确的 NLO QCD 预测。
• 通过与 LHC 数据比较截面，评估在未来的 100 TeV FCC-hh 上观测这些稀有过程的可行性。
• 首次实现五电弱玻色子产生及顶-反顶对与一个电弱矢量玻色子和两束喷注联合产生的 NLO 精确预测。
• 通过统一的计算框架，实现在多种末态下稳健且一致的理论预测。
• 通过提升对复杂标准模型本底的控制能力，支持新物理搜索和希格斯玻色子性质测量。

提出的方法

• 采用 MadGraph5_aMC@NLO 框架，实现任意标准模型过程在 QCD 下一阶修正的自动化、全灵活模拟。
• 使用 FKS 红外分离方法进行 NLO 计算，利用 OPP 方法与 OpenLoops 进行一环矩阵元计算。
• 应用 MC@NLO 形式化将 NLO 计算与部分子簇射匹配，并采用 FxFx 合并方案处理多喷注末态。
• 通过末态粒子横向质量之和动态设定重整化与因子化尺度，尺度不确定性通过重加权方法估算。
• 使用 MSTW 2008 NLO PDF 集，包含非对称 Hessian PDF 不确定性，并采用与 PDF 集一致的 αS 值。
• 在相关情况下应用喷注与光子隔离标准（反-kT，ΔR=0.7，pT>20 GeV；Frixione 锥形，R0=0.4），以实现更真实的末态重建。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 8 TeV LHC 到 100 TeV FCC-hh，稀有 SM 过程的总截面如何演化？
• RQ2 在能量与亮度提升的背景下，哪些涉及多个希格斯或电弱玻色子的稀有 SM 过程在 FCC-hh 上显著可观测？
• RQ3 五电弱玻色子产生及顶-反顶 + V + 两喷注末态的首次 NLO QCD 精确预测是什么？
• RQ4 尺度与 PDF 变化带来的理论不确定性在高能下如何影响这些预测的可靠性？
• RQ5 喷注与轻子动量截断在 FCC-hh 上对相空间和截面增长的影响有多大？

主要发现

• 在四味方案下，$pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}$ 的截面在 100 TeV FCC-hh 上达到 1.10 pb，与 8 TeV LHC 相比，截面比值 $\rho = 486$。
• 过程 $pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}jj$ 在 100 TeV FCC-hh 上的 $\rho$ 比值为 1,150，表明其在未来对撞机上具有极强的可观测潜力。
• $pp \to t\bar{t}Zj$ 过程的 $\rho$ 比值为 789，显示出由于相空间和能量增加带来的显著增强。
• 在 100 TeV 下，$pp \to t\bar{t}W^{+}W^{-}$ 的截面在考虑分支比前为 1.10 pb，使其成为 FCC-hh 上最具前景的稀有 SM 信号之一。
• $pp \to t\bar{t}\gamma j$ 过程的 $\rho$ 比值为 498，表明即使增加喷注，这些过程在 FCC-hh 上仍高度可观测。
• 所有预测均以完整的 NLO QCD 精度计算，包含来自尺度与 PDF 变化的理论不确定性，蒙特卡洛误差相比之下可忽略不计。