[论文解读] Exploring the LHC Landscape with Dileptons

D. Bourilkov|arXiv (Cornell University)|Sep 28, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 8

一句话总结

本文在LHC能量下对二轻子产生过程进行了高精度计算，涵盖NNLO QCD下的Drell-Yan过程与NLO电弱修正，以及光子诱导背景，以改进对高质​​量共振态与非共振态新物理搜索的背景估计。研究结果与LHC数据高度一致，在100 fb⁻¹亮度下，联合电子对与μ子对通道中，2.5 TeV以上的预测事件数约为2个。

ABSTRACT

The dilepton decay channels provide clean signatures and are an ideal hunting ground for high mass resonant, like Z', or non-resonant, like contact interactions or extra dimensions, searches at the LHC. The production of high invariant mass opposite sign lepton pairs in proton-proton collisions in the Standard Model is dominated by the Drell-Yan process. In addition to this photon or Z exchange mediated mechanism, photons radiated by the incoming protons can collide and produce lepton pairs. In this paper detailed calculations of the Drell-Yan process at next-to-next-to-leading order in QCD and next-to-leading order in the electroweak corrections, augmented with the photon-induced effects, are presented in the typical acceptance of a multi-purpose LHC detector at center of mass energy 13 TeV. Estimates of the expected backgrounds for new physics searches are provided for dilepton invariant masses up to the LHC kinematic limit.

研究动机与目标

• 为LHC中高不变质量二轻子产生提供高精度预测，以支持新物理搜索。
• 量化高质​​量区段（直至动力学极限）内Drell-Yan背景与光子诱导贡献。
• 评估NNLO QCD修正、电弱效应及PDF不确定性的背景估计影响。
• 将理论预测与LHC数据进行比较，特别是在电子对与μ子对通道中，以验证理论框架。
• 通过精确的背景建模，支持未来对共振态（如Z'）与非共振态（如接触相互作用、额外维度）新物理的搜索。

提出的方法

• 使用FEWZ程序进行计算，采用Gμ方案，αs(MZ) = 0.118。
• 对Drell-Yan过程应用NNLO QCD修正，将尺度依赖性降低至约1–2%。
• NLO电弱修正包括QED（末态辐射、初态辐射、干涉项）与弱修正（顶点、盒子、自能项）。
• 通过现代光子PDF（如LUXqed_plus_PDF4LHC15）包含光子初态（PI）过程，以建模γγ → ℓ⁺ℓ⁻贡献。
• PDF不确定性的评估采用PDF4LHC15方案，结合重加权技术，覆盖CT14、NNPDF30与LUXqed_plus_PDF4LHC15组。
• 应用动量空间截断：|η| < 2.4，两轻子pT > 50 GeV，光子与轻子间ΔR > 0.1；'穿衣'电子包含ΔR < 0.1内的邻近光子。

实验结果

研究问题

• RQ1 NNLO QCD修正对13 TeV下高质​​量二轻子产生Drell-Yan截面有何影响？
• RQ2 在高不变质量区域，光子诱导背景（γγ → ℓ⁺ℓ⁻）与Drell-Yan过程相比有多显著？
• RQ3 高质​​量二轻子截面预测中的主要不确定性来源是什么，特别是来自PDF与αs？
• RQ4 电弱修正如何影响电子对与μ子对末态的微分与总截面？
• RQ5 理论预测在高质​​量二轻子区域与LHC观测数据的一致性如何？

主要发现

• NNLO QCD修正将尺度依赖性降至1–2%水平，显著提升了理论精度。
• 电弱修正——尤其是QED效应——在高不变质量区域使截面变化达约5%，在电子对通道中效应更大。
• 光子诱导背景在高质​​量区域贡献达总截面的约10%，(DY+PI)/DY比值在2.5 TeV附近达到峰值约1.1。
• PDF不确定性主导理论不确定性，尤其在高质​​量区域，NNLO PDF组（如LUXqed_plus_PDF4LHC15）将不确定性降低至约2–3%。
• 对于100 fb⁻¹亮度，理论预测在电子对通道中为约26.6个事件，与观测到的26.6个事件高度一致。
• 在联合电子对与μ子对通道中，2.5 TeV以上预期事件数约为2个，与CMS观测到的单个2.9 TeV事件一致。