[论文解读] Associated production of a W or Z boson with bottom quarks at the Tevatron and the LHC

F. Febres Cordero, Laura Reina+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 5

一句话总结

本文针对大型强子对撞机（LHC）和费米实验室对撞机（Tevatron）上W和Z玻色子与底夸克对（Wbb̄, Zbb̄）的产生过程，进行了包括完整底夸克质量效应的下一阶修正（NLO）QCD计算。结果表明，非零底夸克质量在mb附近显著影响动量分布，特别是在可观测量趋近mb的相空间区域；当引入质量效应和合并的4FNS/5FNS方案后，理论预测与Tevatron数据的符合度得到改善，理论不确定性降低。

ABSTRACT

We present total and differential cross sections for W b anti-b and Z b anti-b production at the CERN Large Hadron Collider including Next-to-Leading Order (NLO) QCD corrections and full bottom-quark mass effects. We discuss the scale uncertainty of the total cross sections due to the residual renormalization- and factorization-scale dependence of the truncated perturbative series. We also discuss b-quark mass effects in kinematic distributions by comparing with a calculation that considers massless bottom quarks, as implemented in the Monte Carlo program MCFM. The effects of a non-zero bottom-quark mass (m_b) cannot be neglected in phase-space regions where the relevant kinematic observable, such as the transverse momentum of the bottom quarks or the invariant mass of the bottom-quark pair, are of the order of m_b. Finally, we present the result of a detailed comparison of NLO QCD predictions for W+b-jet production with one or two jets with Tevatron data.

研究动机与目标

• 在LHC上计算Wbb̄和Zbb̄产生过程的总截面与微分截面，采用NLO QCD修正及完整的底夸克质量效应。
• 评估非零底夸克质量对动量分布的影响，特别是接近mb能量尺度的区域。
• 将包含一个或两个喷注的W+b-喷注产生过程的NLO QCD预测与Tevatron CDF实验数据进行比较，以解决先前存在的差异。
• 评估尺度不确定性的大小，并分析qg初态过程在包含式与排除式截面中的作用。
• 通过结合4FNS与5FNS的混合方案（包含质量化的底夸克并重整化大对数项），验证理论预测的可靠性。

提出的方法

• 在固定夸克数方案（FFS，即4FNS）下进行NLO QCD计算，完整包含底夸克质量效应，使用一环虚修正与最多一个额外部分子的实辐射修正。
• 采用CTEQ6M部分子分布函数（PDF）集合，并使用两圈αs演化方案；采用kT喷注算法（R=0.7）重建底喷注。
• 与假设底夸克质量为零的MCFM结果进行比较，以分离质量效应在动量分布中的具体影响。
• 在W+b-喷注产生过程的计算中，将4FNS与5FNS方案合并，以一致地包含质量化底夸克贡献及大对数项的重整化。
• 通过改变规范尺度与因子化尺度评估尺度依赖性，并量化残余不确定性。
• 在Tevatron数据比较中，采用W+1b-喷注与W+2b-喷注产生过程的联合预测，通过调整权重使喷注级截面匹配。

实验结果

研究问题

• RQ1 非零底夸克质量效应如何改变LHC上Wbb̄与Zbb̄产生过程中动量分布的形状？
• RQ2 底夸克质量对总截面的影响如何，特别是在接近mb能量尺度的区域？
• RQ3 包含完整质量效应的NLO QCD预测与Tevatron CDF数据在W+b-喷注产生（一个或两个喷注）中的符合程度如何？
• RQ4 NLO预测中的尺度不确定性在包含式与排除式截面中有多大差异？
• RQ5 合并的4FNS/5FNS方法是否能提升W+b-喷注产生中理论预测的稳定性并改善与实验数据的符合度？

主要发现

• 非零底夸克质量显著影响动量分布，尤其在底夸克对的不变质量或其横动量趋近mb的区域。
• 底夸克质量效应使总截面减小，尤其在较低pTb截断下抑制更强，但这些效应通常小于NLO下的残余尺度不确定性。
• 采用完整质量效应与合并4FNS/5FNS方案的NLO QCD预测，W+b-喷注产生截面为1.22 ± 0.14 pb，相对于LO的K因子约为1.34。
• 当引入质量效应与4FNS/5FNS贡献的正确合并后，先前理论与CDF数据之间的差异显著减小。
• qg初态过程在包含式截面中比在排除式截面中表现出更强的尺度依赖性，原因在于后者的喷注多重性受到抑制。
• 当mb≠0与mb=0的NLO截面比值在接近mb的动量区域显示出明显偏离，证实了在高精度研究中必须考虑质量效应。