[论文解读] Charge asymmetries of lepton transverse momenta in Drell-Yan processes at the LHC

M. W. Krasny, W. Płaczek|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

本文识别出在LHC的Drell-Yan过程下，WINHAC矩阵元生成器与PYTHIA 6.4部分子喷注器之间接口的一个关键缺陷：在LO矩阵元中对有效夸克/反夸克横动量的错误分配，导致轻子横动量（$p_T^l$）电荷不对称性严重偏差。作者提出了两种匹配方案——在事件级接口中交换夸克/反夸克横动量，或在$W$玻色子静止参考系中跳过轻子动量旋转——这两种方案均能恢复与NLO QCD预测（如MC@NLO）的一致性，显著提升$ p_T^l $不对称性分布的精度，为精确的SM测量提供可靠输入。

ABSTRACT

Charged lepton transverse momenta in the Drell-Yan processes play an important role at the LHC in precision measurements of the Standard Model parameters, such as the W-boson mass and width, their charge asymmetries and sin^2(theta_W). Therefore, their distributions should be described as accurate as possible by the Monte Carlo event generators. In this paper we discuss the problem of matching the hard-process kinematics of the Monte Carlo generator WINHAC with the parton-shower kinematics of the PYTHIA 6.4 generator while interfacing these two programs. We show that improper assignment of the quark and antiquark effective momenta in the LO matrix element computations may affect considerably the predicted lepton transverse momenta and even completely reverse their charge asymmetries at the LHC. We propose two matching schemes in which the NLO QCD distributions of the leptonic kinematical variables can be well reproduced by the LO WINHAC generator.

研究动机与目标

• 解决在LHC的Drell-Yan过程中，由于WINHAC的LO矩阵元与PYTHIA 6.4部分子喷注器之间动量匹配不当，导致的轻子横动量（$p_T^l$）电荷不对称性不准确问题。
• 解决因在LO矩阵元计算中对有效夸克与反夸克横动量错误分配，导致的$p_T^l$分布及其电荷不对称性偏差问题。
• 开发并实现匹配方案，使$p_T^l$与电荷不对称性分布重现NLO QCD预测，确保为精确的Standard Model测量提供可靠输入。
• 通过在矩阵元与部分子喷注器阶段正确保留自旋关联，改进Drell-Yan过程中$W$玻色子极化效应的模拟。

提出的方法

• 作者分析WINHAC的LO矩阵元与PYTHIA 6.4部分子喷注器之间的动量不匹配问题，重点关注有效夸克与反夸克横动量的分配方式。
• 提出一种匹配方案：在PYTHIA接口中逐事件交换有效壳模型夸克与反夸克的横动量，以纠正$p_T^l$不对称性偏差。
• 同时提出第二种方案：在$W$玻色子静止参考系中跳过末态轻子动量的旋转，以保留初始态部分子喷注器的螺旋态配置。
• 在WINHAC生成器的新版本中实现这些方案，确保与MC@NLO和MCFM的NLO QCD预测保持一致。
• 通过在全相空间与受限相空间中，将新方案的$p_T^l$与赝快度（$\eta_l$）电荷不对称性分布与MC@NLO结果进行对比，验证其性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何标准的PYTHIA 6.4部分子喷注器与矩阵元生成器接口在LHC的Drell-Yan过程中会产生错误的轻子横动量电荷不对称性？
• RQ2 在LO矩阵元计算中，对有效夸克与反夸克横动量的错误分配，如何影响$p_T^l$分布及其电荷不对称性？
• RQ3 对事件生成接口进行简单修改（如交换夸克/反夸克横动量，或跳过轻子动量旋转）是否能恢复与NLO QCD预测的一致性？
• RQ4 作为自旋密度矩阵中编码的$W$玻色子极化，在所观察到的偏差中起什么作用？如何在矩阵元与部分子喷注器阶段正确保留其特性？

主要发现

• 原始WINHAC与PYTHIA 6.4接口（使用PYTHIA默认的有效夸克横动量）生成的$p_T^l$电荷不对称性存在强烈偏差，甚至与NLO QCD预测相反。
• 在事件级接口中交换有效夸克与反夸克的横动量后，无论在全相空间还是受限相空间中，$p_T^l$与$\eta_l$电荷不对称性分布均与MC@NLO结果高度一致。
• 跳过$W$玻色子静止参考系中轻子动量的旋转，也能改善与MC@NLO的一致性，但效果略逊于动量交换方案，且对应于保留初始态部分子喷注器的螺旋态。
• 在WINHAC中实现的新匹配方案成功重现了NLO QCD对轻子动量变量分布的预测，纠正了$W$玻色子质量与$\sin^2\theta_W$测量中一个显著的系统误差源。
• 结果表明，对于自旋-1中间粒子，正确匹配矩阵元与部分子喷注器的动量结构，对精确模拟极化效应与LHC上的高精度测量至关重要。