[论文解读] Further exploration of top pair hadroproduction at NNLO

M. Czakon, Paul Fiedler+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 9

一句话总结

本文对量子色动力学中强子对撞机上顶夸克对产生过程在下一下一阶（NNLO）进行了详细的现象学分析，重点研究尺度依赖性、微扰展开的收敛性以及软胶子重求和的影响。结果表明，NNLO计算显著降低了理论不确定性；将NNLO与软胶子重求和相结合，可在LHC能量范围内实现尺度无关的截面预测，从而提升标准模型检验及寻找新物理（BSM）的精度。

ABSTRACT

Top quark pair production is one of the cornerstones of the physics program at hadron colliders. In this contribution, we further explore the phenomenological implications of the recent NNLO calculation of the total inclusive cross-section. We provide a comparison of the scale dependence of the top pair hadroproduction cross section at different perturbative orders and study its perturbative convergence (with and without soft-gluon resummation). We also sketch how the NNLO top quark cross-section could be used to improve searches of physics beyond the Standard Model.

研究动机与目标

• 分析NNLO下顶夸克对产生截面的尺度依赖性与微扰收敛性。
• 评估软胶子重求和在不同LHC中心系能量下对理论不确定性的影响力。
• 探讨高精度NNLO顶夸克截面如何提升对标准模型之外物理（BSM）的搜索能力。
• 提供此前未发表的、$gg$-初态通道中共线因子化贡献及尺度依赖项的显式表达式。
• 展示NNLO截面在约束部分子分布函数及增强对如停止夸克等BSM共振态探测灵敏度方面的实用性。

提出的方法

• 本研究采用总包容性顶夸克对产生截面的完整NNLO计算，其中$gg$-初态通道的尺度依赖项$\sigma^{(2,1)}_{gg}$与$\sigma^{(2,2)}_{gg}$以显式解析表达式给出，源自$\overline{\text{MS}}$减除的部分子截面。
• 通过比较NLO、NNLO及软胶子重求和（NLL/NNLL）下截面的尺度依赖性，评估微扰收敛性，使用五味价的$\overline{\text{MS}}$耦合常数。
• 在$\beta \in (0,1)$区间内选取80个$\beta$-点，数值计算部分子流强与亮度函数，卷积涉及分裂函数$P^{(0)}_{gg}$、$P^{(1)}_{gg}$与$P^{(0)}_{qg}$。
• 分析中采用Top++2.0程序计算NNLO+NNLL顶夸克截面，使用Prospino2.1程序计算NLO下停止夸克产生，以实现信号与背景率的交叉比较。
• 计算8 TeV与14 TeV下截面的双倍比值，以评估理论精度与实验可达性，通过尺度与PDF效应的抵消使不确定性最小化。
• 评估停止夸克与顶夸克对产生截面之比及其能量依赖性，尽管信号与背景比值较小，仍可评估对BSM动力学的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 NNLO修正的引入如何影响顶夸克对产生截面的尺度依赖性与微扰收敛性？
• RQ2 软胶子重求和在不同LHC质心系能量下，能在多大程度上减小尺度不确定性？
• RQ3 高精度NNLO顶夸克截面是否能改善大$x$区域胶子PDF的确定，从而增强对BSM的搜索能力？
• RQ4 在8 TeV与14 TeV下，利用顶夸克+停止夸克与仅顶夸克的截面双倍比值，其理论与实验可行性如何，可用于BSM信号探测？
• RQ5 停止夸克与顶夸克的截面比如何随停止夸克质量变化？在顶夸克伙伴搜索的背景下，其对BSM动力学的敏感性如何？

主要发现

• 与NLO相比，NNLO修正使顶夸克对产生截面的尺度依赖性降低两倍以上，显著提升了理论精度。
• 在NNLL下进行软胶子重求和进一步抑制了尺度不确定性，使其几乎与对撞机能量无关，仅在产生阈值附近略有偏离。
• 双倍比值$R_{14/8}({\rm top+stop})/R_{14/8}({\rm top})$最多仅为千分之几，因信号过小而实验不可探测。
• 当停止夸克质量接近顶夸克质量时，停止与顶夸克的截面比约为15%，并随停止夸克质量增加迅速下降。
• 在全局PDF拟合中使用NNLO顶夸克数据，可改善大$x$区域胶子PDF的确定，从而提升对重共振态（特别是衰变为顶夸克的）BSM预测的精度。
• 尽管部分子亮度相似，顶夸克与停止夸克的不同质量标度仍提供对BSM动力学的一定敏感性，即使二者由相同的部分子级过程引发。