[论文解读] Angular coefficients in W+j production at the LHC with high precision

Mathieu Pellen, René Poncelet+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文首次在LHC上对具有有限横动量的W+j产生过程中的角系数进行了下一阶下一阶微扰QCD（NNLO QCD）和下一阶电弱（NLO EW）计算。结果显著降低了理论不确定性，并在某些相空间区域显示出高达10%的修正，为未来W玻色子质量测量提供了关键的高精度理论输入。

ABSTRACT

The extraction of the W-boson mass, a fundamental parameter of the Standard Model, from hadron-hadron collision requires precise theory predictions. In this regard, angular coefficients are crucial to model the dynamics of W-boson production. In this work, we provide, for the first time, angular coefficients at NNLO QCD + NLO EW accuracy for finite transverse momentum W-boson at the LHC. The corrections can reach up to 10% in certain regions of phase space. They are accompanied by a significant reduction of the scale uncertainty. This work should, besides providing reference values for theory-data comparison, provide state-of-the-art theory input for W-boson mass measurements.

研究动机与目标

• 为LHC上W+j产生过程中的角系数提供高精度的理论预测，解决W玻色子质量测量中一个关键的理论不确定性来源。
• 通过直接计算具有有限横动量的W玻色子产生过程中的角系数，消除对Z玻色子外推的依赖。
• 通过包含更高阶QCD和电弱修正，减少蒙特卡洛预测中的尺度不确定性。
• 验证角系数分解方法在NLO电弱修正中的适用性，确保其与完整非宽幅近似（off-shell）计算的一致性。
• 为LHC未来高精度实验，特别是高亮度运行阶段的物理研究，提供最先进的理论输入。

提出的方法

• 对过程pp → W± → ℓ±νℓ + j进行固定阶计算，精度达到NNLO QCD和NLO EW，包含W玻色子的有限横动量。
• 使用式(3)中定义的角系数分解来描述W玻色子衰变的角分布，其中A2、A4等系数在高微扰阶下进行计算。
• 应用重加权技术，通过将重加权后的壳上W玻色子事件与完整非宽幅近似（NWA）或完整非宽幅结果进行比较，检验角系数形式的正确性。
• 采用精细的角系数分箱以最小化重加权过程中的分箱效应，并应用修正因子以补偿残余的分箱影响。
• 通过比较原始事件与重加权事件在LO、NLO QCD和NLO EW层次下的微分分布（如轻子横动量），验证方法的有效性。
• 通过在微扰展开中包含所有相关贡献（如式(2)所定义），确保可观测量的红外安全性与一致性，重点关注主导项。

实验结果

研究问题

• RQ1 与低阶预测相比，NNLO QCD和NLO EW修正在W+j产生中对角系数的影响程度如何？
• RQ2 当W玻色子不在壳上时，特别是存在末态光子辐射的情况下，角系数分解能否准确描述电弱修正？
• RQ3 在NLO QCD和NLO EW下，Z玻色子与W玻色子的角系数差异有多大？为何从Z玻色子直接外推到W玻色子存在问题？
• RQ4 在使用角系数形式对NLO电弱修正进行处理时，残余不确定性有多大？通过分箱和修正策略如何将其最小化？
• RQ5 所计算的角系数在多大程度上减少了LHC上W玻色子质量测量中的尺度不确定性？

主要发现

• 在W+j产生中，NNLO QCD + NLO EW修正对角系数的影响在某些相空间区域可达10%，表明其对理论预测具有显著影响。
• 引入高阶修正后，尺度不确定性显著降低，提升了W玻色子质量测量理论模板的可靠性。
• 基于角系数的重加权程序在约1-2%的水平内重现了完整非宽幅W玻色子分布，验证了该形式在NLO电弱修正中的适用性。
• 重加权中残余的偏差主要归因于分箱效应，通过基于LO比较的修正因子可将这些波动降至1%或以下。
• 该方法在NLO QCD和NLO EW下表现稳健，经修正后的结果与完整计算结果一致性显著改善，尤其在低横动量区域更为明显。
• 研究表明，只要采用精细分箱和修正因子，使用角系数对NLO电弱修正进行处理在实际应用中是合理的。