[논문 리뷰] Soft Gluon Resummation in $t$-channel single top quark production at the LHC

Qing-Hong Cao, Peng Sun외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 22.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 $t$-채널 단일 탑 쿼크 생성에서 연속적인 소프트 글루온 복사의 다음 최고 대수적(Next-to-Leading Logarithmic, NLL) 재결합을 전단면 운동량 의존성(TMD) 인과성에 기반하여 제시한다. 색 혼합성(colour coherence)이 초기 상태와 최종 상태 간에 상당한 영향을 미쳐 $q_\perp$ 스펙트럼과 $\phi^*$ 분포를 변화시키며, 특히 전방성 제트 영역에서 두드러진다. 이로 인해 $\phi^*<0.05$ 조건에서 탑 쿼크의 유효 단면적은 PYTHIA 대비 15% 높고, 반탑 쿼크는 11% 높아지며, 정밀도가 요구되는 탑 쿼크 물리학에서 이론 모델의 향상 필요성을 강조한다.

ABSTRACT

We present a detailed phenomenological study of the multiple soft gluon radiation for the $t$-channel single top and anti-top quark production at the Large Hadron Collider (LHC). By applying the transverse momentum dependent factorization formalism, large logarithms introduced by small total transverse momentum $q_\perp$ of the single-top (anti-top) plus one-jet final state system are resummed to all orders in the expansion of the strong interaction coupling at the accuracy of Next-to-Leading Logarithm. We discuss various kinematical distributions which are sensitive to this effect and find that soft gluon radiation become more important when the final state jet is required to be in the forward region. We show that the main difference from PYTHIA prediction lies on the inclusion of the exact color coherence effect between the initial and final states in our resummation calculation. We further propose to apply the experimental observable $ϕ^*$ to test the effect of multiple gluon radiation in the single-top and anti-top events. The bottom quark mass effect and jet rapidity distribution are also discussed.

연구 동기 및 목표

• 고정 순서 QCD를 초월하여 LHC에서 $t$-채널 단일 탑 쿼크 생성의 소프트 글루온 복사에 대한 이론적 기술을 향상시키기 위해.
• 특히 전방성 제트 영역에서 초기 상태와 최종 상태 간의 색 혼합성이 운동량 분포에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• PYTHIA와 같은 파트론 셔플 모델과의 차이를 식별할 수 있도록 $\phi^*$를 정밀 관측량으로 제안하기 위해.
• 재결합 효과가 탑 쿼크 물리학에서 $V_{tb}$ 측정과 $Wtb$ 비정상 상호작용 측정에 어떤 영향을 미치는지 평가하기 위해.

제안 방법

• 강한 상호작용 상수 $\alpha_s$ 에서 $\ln(Q^2/q_\perp^2)$ 의 큰 로그를 NLL 정확도로 재결합하기 위해 전단면 운동량 의존성(TMD) 인과성 형식을 적용하기 위해.
• 재결합 소프트 글루온 보정을 위해 재정규화 군의 진화를 사용하고, 검증을 위해 NLO 결과와 매칭하기 위해.
• Sudakov 지수 내의 혼합성 인자 $T$ 를 통해 정확한 색 혼합성 효과를 포함하여 파트론 셔플 모델과의 차이를 구분하기 위해.
• 다양한 제트 빠르기 영역에서 재결합 결과와 PYTHIA 예측 간의 $q_\perp$ 와 $\phi^*$ 분포를 비교하기 위해.
• 실험 분석에서 이론적 불확실성에 대한 민감도를 평가하기 위해 $\phi^*$ 절단 조건을 사용하여 유효 단면적을 평가하기 위해.
• 현상학적 정확도를 향상시키기 위해 재결합 프레임워크에 바텀 쿼크 질량 효과와 제트 빠르기 분포를 포함하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소프트 글루온 재결합 효과는 $t$-채널 생성에서 단일 탑 쿼크에 더해 하나의 제트를 포함한 최종 상태의 횡운동량 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 초기 상태와 최종 상태 간의 색 혼합성이 전방성 제트 영역에서 $q_\perp$ 스펙트럼과 $\phi^*$ 분포에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 $\phi^*$ 절단 조건을 적용할 때 재결합 예측과 PYTHIA 간의 유효 단면적은 어떻게 다를까?
• RQ4 $\phi^*$ 관측량은 재결합 QCD 효과와 파트론 셔플 모델 간의 차이를 식별하는 민감한 탐지 수단으로서 기능할 수 있는가?
• RQ5 바텀 쿼크 질량과 제트 빠르기는 $t$-채널 단일 탑 생성에서 재결합된 운동량 분포에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 재결합 계산은 작은 $q_\perp$ 영역에서 NLO 결과와 완벽한 일치를 보이며, 이론적 형식의 타당성을 검증한다.
• 재결합 프레임워크에서 유도된 NLO 총 단면적은 MCFM 예측과 정확히 일치하며, 일관성을 확인한다.
• 최종 상태 제트가 전방 영역($|y_J| \geq 3$)에 있을 경우, $q_\perp$ 스펙트럼은 색 혼합성 효과로 인해 PYTHIA와 상당한 차이를 보인다.
• $\phi^*<0.05$ 조건에서 전방 제트 영역에서 탑 쿼크의 유효 단면적은 재결합 모델에서 PYTHIA 대비 15% 높고, 반탑 쿼크는 11% 높다.
• $\phi^*<0.1$ 조건에서는 탑 쿼크는 6%, 반탑 쿼크는 4%의 차이가 나타나며, 이는 실험 분석에서 무시할 수 없는 이론적 불확실성을 시사한다.
• Sudakov 지수에 혼합성 인자 $T$ 를 포함하는 것이 핵심적이며, 이 인자를 생략할 경우 $\phi^*$ 분포에 상당한 이동이 발생함을 보여주며, 색 구조 민감도에서의 중요성을 입증한다.