[论文解读] Automated Neutrino Jet and Top Jet Predictions at Next-to-Leading-Order with Parton Shower Matching in Effective Left-Right Symmetric Models

Olivier Mattelaer, Manimala Mitra+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 27, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 68被引用 17

一句话总结

该论文提出了一种自动化的框架，用于在有效左右对称模型（LRSM）中实现下一项领头阶（NLO）QCD修正与部分子喷泉的匹配，使LHC及未来对撞机能够对 $W_R^\pm$、$Z_R$ 和重Majorana中微子（$N$）的产生实现精确预测。关键发现是，来自 $W_R$ 衰变的中微子喷泉对部分子喷泉和QCD辐射效应具有强鲁棒性，因此可施加激进的运动学截断而几乎不损失信号——这与受硬辐射显著影响的顶夸克喷泉形成鲜明对比。

ABSTRACT

Hadronic decays of boosted resonances, e.g., top quark jets, at hadronic super colliders are frequent predictions in TeV-scale extensions of the Standard Model of Particle Physics. In such scenarios, accurate modeling of QCD radiation is necessary for trustworthy predictions. We present the automation of fully differential, next-to-leading-order (NLO) in QCD corrections with parton shower (PS) matching for an effective Left-Right Symmetric Model (LRSM) that features $W_R^\pm, Z_R$ gauge bosons and heavy Majorana neutrinos $N$. Publicly available universal model files require remarkably fewer user inputs for predicting benchmark collider processes than leading order LRSM constructions. We present predictions for inclusive $W_R^\pm, Z_R$ production at the $\sqrt{s} = 13$ TeV Large Hadron Collider (LHC) and a hypothetical future 100 TeV Very Large Hadron Collider (VLHC), as well as inclusive $N$ production for a hypothetical Large Hadron Electron Collider (LHeC). As a case study, we investigate at NLO+PS accuracy the properties of heavy neutrino (color-singlet) jets and top quark (color-triplet) jets from decays of high-mass $W_R$ bosons at the LHC. Contrary to top jets, we find that the kinematic properties of heavy neutrinos jets, and in particular jet mass, are resilient against the effects of parton showers and hard QCD radiation. This suggests that in searches for neutrino jets, aggressive selection cuts that would otherwise be inappropriate for top jets can be imposed with minimal signal loss.

研究动机与目标

• 开发一种完全自动化、公开可用的模型，用于在有效左右对称模型（LRSM）中实现NLO QCD修正与部分子喷泉匹配。
• 实现对13 TeV LHC及未来100 TeV VLHC和LHeC中 $W_R^\pm$、$Z_R$ 和重Majorana中微子（$N$）产生的精确、微分预测。
• 研究QCD辐射和部分子喷泉效应对高能 $W_R$ 衰变中顶夸克喷泉和中微子喷泉运动学的影响。
• 提供一个用户友好、输入最少的框架，利用FeynRules、NLOCT和MG5_aMC@NLO，用于LRSM中的对撞机现象学研究。

提出的方法

• 作者在FeynRules（FR）框架中实现有效LRSM，以生成通用模型文件（UFO），从而实现模型的自动化部署。
• 他们使用MG5_aMC@NLO框架结合部分子喷泉匹配（PS），计算 $pp \to W_R^\pm, Z_R$ 和 $pp \to N$ 过程的完全微分NLO QCD修正。
• 该模型包含 $W_R^\pm$、$Z_R$ 和重Majorana中微子 $N$，其衰变过程为 $W_R \to N\ell^\pm$ 和 $N \to \ell^\pm W_R^{\mp*} \to \ell^\pm q\bar{q}'$。
• 利用改进的MadSpin对 $N$ 和 $t$ 的自旋关联衰变进行建模，保留与硬矩阵元的完整自旋关联。
• 通过自定义修改MG5_aMC@NLO的cuts.f文件，在生成器级别实现截断，强制要求末态顶夸克和 $N$ 粒子的 $p_T > 750$ GeV。
• 该框架支持强子-强子（$pp$）和强子-电子（$ep$）碰撞，可为LHC、VLHC和LHeC提供模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC中，NLO QCD修正与部分子喷泉效应对来自 $W_R$ 衰变的顶夸克喷泉的运动学分布有何影响？
• RQ2 在 $W_R \to N\ell^\pm$ 衰变中，部分子喷泉和硬QCD辐射在多大程度上影响中微子喷泉的性质，特别是喷泉质量？
• RQ3 由于QCD辐射的影响较小，是否可以对中微子喷泉施加激进的筛选截断而不会造成显著的信号损失，而这种情况在顶夸克喷泉搜索中并不成立？
• RQ4 NLO修正与PS匹配的引入在多大程度上提高了LRSM中 $W_R$、$Z_R$ 和 $N$ 产生的对撞机预测的可靠性？
• RQ5 该自动化、输入最少的模型框架在NLO+PS精度下预测总截面和微分分布的性能如何？

主要发现

• 来自 $W_R$ 衰变的中微子喷泉在部分子喷泉和硬QCD辐射作用下表现出极小的畸变，尤其是在喷泉质量分布方面。
• 相比之下，顶夸克喷泉因未被部分子喷泉捕获的广角末态辐射而出现显著的运动学偏移，导致喷泉质量和 $p_T$ 分布发生显著变化。
• 中微子喷泉运动学的鲁棒性使得可施加激进的筛选截断（如 $p_T > 750$ GeV）而不会造成显著的信号损失，这与顶夸克喷泉分析形成鲜明对比。
• 该自动化框架在13 TeV LHC及未来100 TeV VLHC和LHeC中，实现了对 $W_R^\pm$、$Z_R$ 和 $N$ 产生的精确、微分NLO+PS预测。
• 通用模型文件（UFO）的公开可用性，相比传统仅LO的LRSM构建方式，显著降低了用户输入需求。
• 该研究证实，$W_R \to N\ell^\pm$ 衰变会产生独特且稳定的喷泉信号，是高能对撞机实验中发现重Majorana中微子的有力候选。