[论文解读] B-hadron hadro-production in NNLO QCD: application to LHC $t\bar{t}$ events with leptonic decays

M. Czakon, Terry Generet+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 35被引用 5

一句话总结

本论文首次在强子对撞中实现了B-强子产生过程的全微分NNLO QCD计算，采用基于微扰碎片化函数的灵活数值框架。该方法被应用于大型强子对撞机（LHC）上的顶夸克对事件，为关键的顶夸克质量测量提供了B-强子分布的精确预测，并实现了从LHC数据中提取碎片化函数的可能性。

ABSTRACT

We calculate, for the first time, the NNLO QCD corrections to identified heavy hadron production at hadron colliders. The calculation is based on a flexible numeric framework which allows the calculation of any distribution of a single identified heavy hadron plus jets and non-QCD particles. As a first application we provide NNLO QCD predictions for several differential distributions of $B$ hadrons in $t\bar t$ events at the LHC. Among others, these predictions are needed for the precise determination of the top quark mass. The extension of our results to other processes, like open or associated $B$ and charm production is straightforward. We also explore the prospects for extracting heavy flavor fragmentation functions from LHC data.

研究动机与目标

• 首次计算强子对撞中识别B-强子产生的NNLO QCD修正。
• 开发一种灵活的数值框架，能够计算单个识别重强子加 jets 及非QCD粒子的微分分布。
• 将该框架应用于LHC上的顶夸克对产生与衰变，重点研究对顶夸克质量测定至关重要的B-强子可观测量。
• 探索利用所提形式化方法从LHC数据中提取B-强子碎片化函数的可行性。
• 通过严格检查验证计算设置，包括与e⁺e⁻碰撞中的解析结果比较，以及在顶夸克衰变中验证求和规则。

提出的方法

• 采用无质量微扰碎片化函数（PFF）形式化方法，以重正化高pT区域中的大对数，适用于如顶夸克对产生等具有大硬标度的过程。
• 实现一个数值框架，计算pp → t¯t + X → B + X过程在NNLO QCD下的全微分截面，包含所有部分子道及共线反常项。
• 使用FFKM碎片化函数在NNLO下建模底夸克到B强子的碎片化过程，确保与微扰展开的一致性。
• 将该形式化方法应用于计算t¯t事件中B强子的微分分布，如横动量和能量谱。
• 执行两项关键检查：(1) 在e⁺e⁻碰撞中将B强子能量谱与NNLO精确解析结果进行比较；(2) 在NNLO下验证顶夸克衰变中的动量求和规则。
• 利用NNLO框架定义一种新型可观测量，适用于从LHC数据中提取B强子碎片化函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否使用数值框架可靠地计算强子对撞中识别B-强子产生的NNLO QCD修正？
• RQ2 NNLO QCD修正如何影响LHC上顶夸克对事件中B强子的微分分布？
• RQ3 利用所提形式化方法，B强子碎片化函数在多大程度上可从LHC数据中提取？
• RQ4 该数值实现是否正确再现了已知的解析结果与物理求和规则，例如顶夸克衰变中的动量守恒？

主要发现

• 在e⁺e⁻碰撞中，B强子产生的NNLO QCD数值实现与精确解析结果在全相空间范围内一致，统计误差在蒙特卡洛误差范围内。
• 在纯NNLO水平下，顶夸克衰变中的动量求和规则满足精度在3%以内，证实了系数函数计算的正确性。
• 该框架成功计算了LHC上t¯t事件中B强子的全微分分布，所有动量和尺度依赖关系在NNLO下均得到正确处理。
• 顶夸克的大质量提供了自然的硬标度，使得~(mb)^n的次主导效应可忽略不计，验证了在此背景下使用无质量底夸克PFF形式化的合理性。
• 本研究在t¯t事件中识别出一种新型可观测量，特别适合用于从LHC数据中提取B强子碎片化函数。
• 该框架可轻松扩展至开放底强子或关联底与粲强子的产生，为未来在广泛重味物理过程中的应用铺平道路。