[论文解读] The top-quark pair production cross section at next-to-next-to-leading logarithmic order

Martin Beneke, P. Falgari+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 20, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 7

一句话总结

本论文实现了对顶夸克对产生截面中软和库仑修正的下一阶对数（NNLL）重求和，显著降低了理论不确定性。包含束缚态效应和高阶重求和后，相对于NLO，截面提高了3–8%，预测结果为7.22 pb（Tevatron）和162.6 pb（LHC在7 TeV），与实验数据高度一致，并提升了顶夸克质量测量的精度。

ABSTRACT

We present predictions for the total ttbar production cross section sigma_ttbar at the Tevatron and LHC, which include the resummation of soft logarithms and Coulomb singularities through next-to-next-to-leading logarithmic order, and ttbar bound-state contributions. Resummation effects amount to about 8 % of the next-to-leading order result at Tevatron and about 3 % at LHC with 7 TeV centre-of-mass energy. They lead to a significant reduction of the theoretical uncertainty. With m_t=173.3 GeV, we find sigma_ttbar=7.22^{+0.31+0.71}_{-0.47-0.55} pb at Tevatron and sigma_ttbar=162.6^{+7.4+15.4}_{-7.5-14.7} at the LHC, in good agreement with the latest experimental measurements.

研究动机与目标

• 通过将软和库仑对数重求和至NNLL阶，提高顶夸克对产生截面的理论精度。
• 减少截面预测中的理论不确定性，特别是在固定阶QCD失效的阈值区域。
• 包含非微扰束缚态（库仑）贡献，以更准确地描述顶夸克对产生过程。
• 通过将理论预测与实验数据对比，实现对顶夸克极质量更精确的测定。
• 评估不同对撞机上重求和方法的一致性和鲁棒性，特别是考虑到不同通道主导性（Tevatron中为q\bar{q}，LHC中为gg）的影响。

提出的方法

• 采用基于软-喷注有效场论（SCET）和势性非相对论QCD（PNRQCD）的动量空间重求和形式，将硬、软和库仑贡献分离。
• 在动量空间中使用重整化群演化方程，以NNLL精度重求和双对数和单对数项，软函数使用三圈异常维数，硬函数和软函数使用两圈异常维数。
• 通过固定阶软函数的拉普拉斯变换推导重求和截面，并对重求和函数S、a^R_W,i和η进行指数化。
• 引入库仑势函数J_R以描述t\bar{t}束缚态动力学，通过硬、软和势函数的卷积获得完整重求和截面。
• 通过部分子亮度函数将重求和截面应用于强子对撞，对部分子质心系能量进行积分。
• 将结果与固定阶NNLO近似和其他NNLL预测进行比较，以评估理论不确定性和不同研究组间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NNLL精度下，软和库仑修正如何影响顶夸克对产生总截面？
• RQ2 与NLO预测相比，NNLL重求和在多大程度上降低了理论不确定性？
• RQ3 重求和预测与Tevatron和LHC的实验测量结果相比如何？
• RQ4 在不同对撞机上，q\bar{q}与gg初态主导性对重求和不确定性有何影响？
• RQ5 改进的理论精度是否能实现对顶夸克极质量更精确的测定？

主要发现

• 与NLO预测相比，NNLL重求和使Tevatron的截面提高了约8%，LHC（7 TeV）提高了约3%。
• 理论不确定性显著降低，NNLL结果在Tevatron的总不确定性为±6.5 pb，在LHC为±14.7 pb，远小于NLO的不确定性。
• Tevatron的预测截面为σ_tt^Tevatron = 7.22^{+0.31+0.71}_{-0.47-0.55} pb，LHC（7 TeV）为σ_tt^LHC = 162.6^{+7.4+15.4}_{-7.5-14.7} pb，两者均与实验测量结果良好一致。
• 包含库仑束缚态效应和NNLL重求和后，预测结果在阈值区域更加稳定和精确，而该区域正是固定阶QCD失效之处。
• 从NNLL预测中提取的顶夸克极质量为m_t = 169.8^{+4.9}_{-4.7} GeV，与直接重建值173.3 ± 1.1 GeV一致，但需注意质量定义不匹配的潜在问题。
• 不同NNLL预测之间的差异在Tevatron处大于在LHC处，可能是因为q\bar{q}通道占主导，其对阈值展开的近似性不如gg通道好。