[논문 리뷰] Transverse-momentum resummation for vector-boson pair production at NNLL+NNLO

Massimiliano Grazzini, Stefan Kallweit외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 양성자 충돌에서 W+W− 및 ZZ 벡터보스론 쌍 생성의 횡운동량(pT) 분포에 대해 다음 다음 주요 대칭 로그(_nnLL_). _NNLO_ 고정순서 계산과 일관되게 매칭된 _NNLL_ 재정렬을 제시한다. 이 방법은 pT 스펙트럼 전반에 걸쳐 이론적 불확실성을 감소시키며, _NNLL_+ _NNLO_ 예측은 이전의 근사치보다 pT-보기 효율성을 최대 5% 낮추어 LHC 분석의 정확도를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

We consider the transverse-momentum ($p_T$) distribution of $ZZ$ and $W^+W^-$ boson pairs produced in hadron collisions. At small $p_T$, the logarithmically enhanced contributions due to multiple soft-gluon emission are resummed to all orders in QCD perturbation theory. At intermediate and large values of $p_T$, we consistently combine resummation with the known fixed-order results. We exploit the most advanced perturbative information that is available at present: next-to-next-to-leading logarithmic resummation combined with the next-to-next-to-leading fixed-order calculation. After integration over $p_T$, we recover the known next-to-next-to-leading order result for the inclusive cross section. We present numerical results at the LHC, together with an estimate of the corresponding uncertainties. We also study the rapidity dependence of the $p_T$ spectrum and we consider $p_T$ efficiencies at different orders of resummed and fixed-order perturbation theory.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 벡터보스론 쌍 생성의 이론적 정밀도를 횡운동량 재정렬과 고정순서 계산을 결합하여 향상시키기.
• NNLL 재정렬과 _NNLO_ 매칭을 통해 W+W− 및 ZZ 최종 상태의 pT 스펙트럼에서 이론적 불확실성을 감소시키기.
• Higgs 및 새로운 물리 현상 탐색에서 배경 추정에 핵심적인 pT-보기 효율성에 대한 정확한 예측 제공하기.
• 재정렬의 척도 선택의 일관성을 검증하기 위해 pT 스펙트럼의 빠르기 의존성 분석하기.
• 두 번째 순서 헬리시티 앙피티튜드를 통한 향후 비정상 상태 효과 및 렙톤 붕괴 포함 가능하게 하기.

제안 방법

• 작은 pT에서 강하게 증폭되는 소프트 구인 방출을 재정렬하기 위해 _NNLL_ 재정렬 적용.
• 큰 pT에서 유효한 _NNLO_ 고정순서 계산과 일관된 매칭 절차를 사용하여 재정렬 결과와 매칭.
• 재정렬에 대해 척도 선택 Q = mV를 사용하고, 동적 척도 선택 Q = M_VV/2와 비교하여 척도 의존성 평가.
• pT 전역에 걸쳐 적분하여 기존의 _NNLO_ 포함 단면적을 복원함으로써 교차 확인 수행.
• 스케일 변동에 따른 상세한 불확실성 추정과 함께 LHC에서의 수치적 연구 수행.
• 다양한 섭동 순서 간 pT-보기 효율성 비교를 통해 _NNLL_ 및 _NNLO_ 보정의 영향 평가.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 W+W− 및 ZZ 쌍의 pT 스펙트럼에 대해 _NNLL_ 재정렬과 _NNLO_ 고정순서 보정은 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 pT-보기 효율성은 Higgs 및 새로운 물리 현상 분석의 핵심 관측량이며, _NNLL_+ _NNLO_ 보정은 이에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 pT 스펙트럼의 빠르기 의존성이 _NNLL_+ _NNLO_ 보정을 포함할 경우 어떻게 변화하는가?
• RQ4 다른 척도 선택(예: Q = mV 대비 Q = M_VV/2)은 재정렬 결과의 안정성과 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 저순서 근사치에 비해 _NNLL_ 및 _NNLO_ 보정은 이론적 불확실성을 어느 정도 감소시키는가?

주요 결과

• _NNLL_+ _NNLO_ 예측은 저순서에 비해 pT 스펙트럼의 피크 및 尾영역 모두에서 스케일 변동에 의한 이론적 불확실성을 감소시킨다.
• pT-보기 효율성은 _NNLL_+ _NNLO_에서 이전에 CMS 분석에서 사용된 근사적 _NNLL_+ _NLO_ 결과보다 약 5% 낮으며, 절대 감소율은 3%이다.
• pT 스펙트럼의 빠르기 의존성은 중심 영역(|y| ≤ 2)에서는 상대적으로 평탄하지만, 전방 영역에서는 더 부드럽다. 그러나 위상공간 억제로 인해 포함 스펙트럼에 대한 총 영향은 제한적이다.
• 고정 척도 선택 Q = mV는 동적 척도 선택 Q = M_VV/2와 일관된 결과를 도출하며, 특히 분포의 尾영역에서 뚜렷하다.
• pT 전역에 걸쳐 _NNLL_+ _NNLO_ 결과를 적분하면 기존의 알려진 _NNLO_ 포함 단면적을 성공적으로 복원하여, 프레임워크의 일관성을 검증한다.
• pT-보기 효율성 예측의 정확도를 확보하기 위해 _NNLL_ 재정렬과 _NNLO_ 보정을 동시에 포함하는 것이 필수적임을 확인하였으며, 두 효과 모두 무시할 수 없는 정도이다.