[論文レビュー] The NNLO QCD corrections to Z boson production at large transverse momentum

A. Gehrmann–De Ridder, T. Gehrmann+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用数 19

ひとこと要約

本稿では、8 TeVで衝突する陽子-陽子系におけるZボソンの横運動量分布に対する次々に次流のオーダー（NNLO）QCD補正を、アンテナ減算法を用いたNNLO JETモンテカルロ生成器を用いて計算した。NNLO補正の導入により、分布を包含的Drell–Yan截面で正規化した場合、NLOで見られた不一致が解消され、理論的予測と実験データとの一致が著しく向上し、部分子分布関数および強い結合定数αsのNNLO精度での高精度なQCD研究が可能になる。

ABSTRACT

The transverse momentum distribution of massive neutral vector bosons can be measured to high accuracy at hadron colliders. The transverse momentum is caused by a partonic recoil, and is determined by QCD dynamics. We compute the single and double-differential transverse momentum distributions for fully inclusive $Z/γ^*$ production including leptonic decay to next-to-next-to-leading order (NNLO) in perturbative QCD. We also compute the same distributions normalised to the cross sections for inclusive $Z/γ^*$ production, i.e. integrated over the transverse momentum of the lepton pair. We compare our predictions for the fiducial cross sections to the 8 TeV data set from the ATLAS and CMS collaborations, which both observed a tension between data and NLO theory predictions, using the experimental cuts and binning. We find that the inclusion of the NNLO QCD effects does not fully resolve the tension with the data for the unnormalised $p^Z_T$ distribution. However, we observe that normalising the NNLO $Z$-boson transverse momentum distribution by the NNLO Drell-Yan cross section substantially improves the agreement between experimental data and theory, and opens the way for precision QCD studies of this observable.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突におけるZボソンの横運動量分布に対するNNLO QCD補正を、大きな横運動量領域で計算すること。
• Zボソンの横運動量分布に関して、NLO QCD予測とLHCデータとの間で長年の不一致が生じ続けている問題を解決すること。
• 微分断面積を特徴的なDrell–Yan截面で正規化することで、理論と実験の間の高精度な比較を可能にすること。
• 理論的不確実性を低減することで、将来の部分子分布関数のグローバルフィットおよびαsのNNLO精度での抽出を支援すること。

提案手法

• 計算には、ハドロン衝突における赤外安全なNNLO計算を実装するアンテナ減算法を用いたNNLO JETパートンレベルモンテカルロ生成器が用いられた。
• 完全に包含的なZ/γ*生成、すなわちレプトンの崩壊を含めた状況において、実験条件に一致するレプトン運動量の特徴的なカットを適用して横運動量分布が計算された。
• Zボソンの低横運動量カットを導入することで、最終状態の放射に起因する横運動量のバランスが保たれ、赤外有限性が保証された。
• 同じ特徴的なカットとビン分割を用いて、8 TeVのATLASおよびCMSデータと理論的予測を比較した。未正規化および正規化された両方の分布が検討された。
• 微分断面積は、Zボソンの全横運動量にわたるNNLO Drell–Yan截面の積分によって正規化された。
• 電弱補正は検討されたが、正規化された分布ではほとんど相殺されることが判明し、QCD効果に焦点を当てることが可能になった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNLO QCD補正を組み込むことで、Zボソンの横運動量分布に関して観測されたNLO理論とLHCデータとの間の不一致が解消されるか？
• RQ2 NNLO補正は、特徴的な位相空間における微分断面積の形状と正規化にどのように影響を与えるか？
• RQ3 微分断面積を包含的Drell–Yan截面で正規化することで、実験データとの一致がどの程度向上するか？
• RQ4 NLOと比較して、NNLOにおける理論的スケール不確実性は、正規化された分布にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 NNLOでの理論的精度の向上により、Zボソンの横運動量データを用いた部分子分布関数の整合的なグローバルフィットおよびαsの抽出が可能になるか？

主な発見

• 未正規化されたZボソンの横運動量分布に対するNNLO補正はやや小さく、かつ正であり、NLOと比較して大まかなpT領域で理論的予測が5–8%増加した。
• NNLO補正が施された後でも、未正規化された分布はATLASおよびCMSデータと5–8%の不一致を示し、絶対的截面に関して依然として理論と実験の間の緊張が継続していることを示している。
• 分布をNNLO Drell–Yan截面で正規化することで、ATLASおよびCMS両データと良好な一致が得られ、特に大きなmℓℓおよびすべての|yZ|ビンで顕著であった。
• NNLOのスケール不確実性は2–4%にまで低減され、理論的精度が著しく向上し、実験データとの信頼性ある比較が可能になった。
• 正規化された分布における良好な一致は、部分子分布関数の高精度なQCD研究、および将来のグローバルフィットとαsのNNLO精度での抽出を可能にする。
• 結果から、正規化が理論と実験の意味のある比較を可能にすることが示された。これはスケール不確実性を低減し、高次のQCD効果への感度を高めるためである。