[论文解读] Diphoton production at hadron colliders: transverse-momentum resummation at next-to-next-to-leading logarithmic accuracy

Leandro Cieri, Francesco Coradeschi+1 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 18被引用 4

一句话总结

本文提出了一种在强子碰撞中双光子产生过程的下一阶下一阶对数（NNLL）横动量重整化方案，将小 $q_T$ 区域的重整化QCD修正与大 $q_T$ 区域的固定阶NLO结果相结合。该计算与已知的NNLO总截面完全一致，并显著改善了与LHC数据的符合度，特别是在固定阶计算因对数增强效应而失效的小 $q_T$ 区域。

ABSTRACT

We consider the transverse-momentum (qT) distribution of a diphoton pair produced in hadron collisions. At small values of qT , we resum the logarithmically-enhanced perturbative QCD contributions up to next-to-next-to-leading logarithmic accuracy. At intermediate and large values of qT, we consistently combine resummation with the known next-to-leading order perturbative result. All perturbative terms up to order α_S^2 are included in our computation which, after integration over qT, reproduces the known next-to-next-to-leading order result for the diphoton pair production total cross section. We present a comparison with LHC data and an estimate of the perturbative accuracy of the theoretical calculation by performing the corresponding variation of scales. In general we observe that the effect of the resummation is not only to recover the predictivity of the calculation at small transverse momentum, but also to improve substantially the agreement with the experimental data.

研究动机与目标

• 解决在双光子产生过程中小横动量（$q_T$）区域固定阶微扰QCD因大对数修正而失效的问题。
• 为强子碰撞中双光子对的 $q_T$ 分布建立至下一阶下一阶对数（NNLL）精度的系统重整化形式。
• 在小 $q_T$ 区域将重整化结果与大 $q_T$ 区域已知的下一阶（NLO）固定阶结果匹配，确保与NNLO总截面的一致性。
• 提供一个理论稳健的预测，显著改善与LHC数据的符合度，特别是在固定阶结果表现出非物理奇点的 $q_T \to 0$ 区域。
• 实现对如单个光子的 $q_T$ 谱和方位角夹角分布 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 等精确可观测量的准确预测。

提出的方法

• 采用参考文献 [37, 39, 40] 中的横动量重整化形式，适用于强子碰撞中高能末态。
• 在小 $q_T$ 区域系统重整化所有对数增强的QCD修正至下一阶下一阶对数（NNLL）精度。
• 通过一致的匹配程序，将重整化结果与中间和大 $q_T$ 区域的固定阶NLO计算相结合。
• 在对 $q_T$ 积分后，精确重现已知的NNLO总截面，验证了完整计算的一致性。
• 采用三体参数化方法描述双光子相空间，避免在背对背构型附近 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 分布出现非物理发散。
• 通过调节 $\mu_R$、$\mu_F$ 和重整化尺度的理论不确定性，并包含相空间参数化不确定性，评估理论不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在强子对撞机中双光子产生过程中，系统地将小 $q_T$ 区域的对数增强QCD修正重整化至NNLL精度？
• RQ2 NNLL重整化对双光子对 $q_T$ 谱有何影响，特别是在固定阶计算失效的 $q_T \to 0$ 区域？
• RQ3 NNLL+NLO联合预测与LHC数据相比如何？是否相比固定阶NLO结果有更优的符合度？
• RQ4 重整化在背对背构型附近（$\Delta\Phi_{\gamma\gamma} \to \pi$）在多大程度上稳定了 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 分布？
• RQ5 包括重整化与匹配的完整计算能否一致地重现已知的NNLO双光子产生总截面？

主要发现

• NNLL+NLO计算成功消除了在 $q_T \sim 25$ GeV 附近固定阶NLO结果产生的非物理阶梯状行为与对数奇点，这些是固定阶方法的缺陷。
• 重整化分布呈现出平滑的肩状结构，靠近背对背阈值，与固定阶NLO结果的发散行为形成鲜明对比。
• 完整的NNLL+NLO预测在 $q_T$ 全区间内与ATLAS数据显著符合，尤其在小 $q_T$ 区域表现更优。
• $\Delta\Phi_{\gamma\gamma}$ 分布因重整化而稳定，完整结果在 $\Delta\Phi_{\gamma\gamma} \sim \pi$ 附近与数据的符合度优于固定阶NLO预测。
• 通过尺度变化估算的理论不确定性得到良好控制，并与实验数据一致，验证了计算的稳健性。
• 对 $q_T$ 积分后，计算正确重现了已知的NNLO总截面，证实了重整化与匹配过程的一致性。