[论文解读] Hadroproduction of four top quarks in the POWHEG BOX

Tomáš Ježo, Manfred Kraus|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 90被引用 26

一句话总结

本论文在POWHEG Box框架内提出了一种新型蒙特卡洛事件生成器，用于在next-to-leading order QCD精度（O(α⁵ₛ)）下模拟强子对撞中四顶夸克的产生，并包含leading-order电弱贡献。该生成器能够精确建模自旋关联效应和衰变影响，首次对单轻子+ jets末态的详细研究揭示了在限定区域水平上电弱过程和自旋关联具有显著影响，从而增强了对标准模型之外新物理的敏感度。

ABSTRACT

We present a new Monte Carlo event generator for the hadronic production of four top quarks in the POWHEG BOX framework. Besides the dominant next-to-leading order QCD corrections at $\mathcal{O}(\alpha_s^5)$ we also include all subleading electroweak productions channels at leading-order accuracy. We validate our theoretical predictions by comparing to parton-shower matched predictions obtained within the MC@NLO framework for stable top quarks. Furthermore, we investigate in detail the various sources of theoretical uncertainties. Finally, we investigate a single lepton plus jets signature to study for the first time the impact of the electroweak production modes as well as spin-correlation effects at the fiducial level.

研究动机与目标

• 开发一种高精度的蒙特卡洛事件生成器，用于强子对撞中四顶夸克的产生，整合next-to-leading order QCD修正与leading-order电弱贡献。
• 在leading order下建模顶夸克衰变，同时保留自旋关联效应，以提高模拟末态的真实性。
• 实现对四顶夸克产生中单轻子+ jets末态的首次详细研究，评估在限定区域水平上电弱产生模式与自旋关联的影响。
• 提供一个公开可用的工具，支持大型强子对撞机（LHC）的精确理论物理研究，助力寻找标准模型之外的新物理。
• 在一致的框架内量化来自尺度变化、部分子簇射匹配以及高阶修正的理论不确定性。

提出的方法

• 事件生成器基于POWHEG Box V2框架实现，采用POWHEG方法将固定阶NLO QCD计算与部分子簇射相匹配。
• 包含O(α⁵ₛ) QCD修正与所有次领级电弱贡献，包括QCD与电弱振幅之间的干涉项。
• 顶夸克衰变在leading order下建模，同时通过矩阵元生成器中使用自旋密度矩阵来保留自旋关联效应。
• 模拟过程包含完整的部分子簇射匹配，确保末态中喷注与轻子动量分布的真实性。
• 理论预测通过与MC@NLO结果在稳定顶夸克情况下的对比进行验证，确保不同框架间的一致性。
• 采用专用截断条件与反kₜ算法进行喷注重建，对限定区域水平的分析进行，结果在不同理论设置间进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在四顶夸克产生中，单轻子+ jets末态的电弱产生模式有多显著？
• RQ2 顶夸克自旋关联在单轻子+ jets通道的限定区域截面中影响程度如何？
• RQ3 尺度变化与部分子簇射匹配带来的理论不确定性如何影响四顶夸克截面的预测？
• RQ4 次领级电弱贡献的相对大小如何，特别是涉及Higgs或Z玻色子等中间共振态的贡献？
• RQ5 O(α⁵ₛ) QCD修正与LO电弱模式的引入如何影响整体截面与动量分布？

主要发现

• 电弱贡献的引入使总截面增加约5%–15%，具体取决于反常尺度，且正式次领级项之间存在显著抵消。
• 电弱贡献，特别是通过Higgs或Z交换的t-t̄散射过程，相对于leading-order QCD项可达到±40%的相对贡献，其中干涉项贡献了较大的负值。
• 自旋关联效应导致衰变产物的角分布出现可测量的畸变，尤其在单轻子+ jets末态中表现明显，且在限定区域水平上可观测。
• 单轻子+ jets通道的限定区域截面对电弱产生模式与自旋关联均敏感，后者在特定区域可使动量分布变化达10%。
• 尺度变化带来的理论不确定性在总截面中控制在5%以内，而POWHEG与MC@NLO框架间的匹配不确定性相当且较小。
• 事件生成器在稳定顶夸克情况下的MC@NLO预测中得到验证，动量分布与截面结果均显示良好一致性，证实了实现的可靠性。