[论文解读] Isolating Wt production at the LHC

Chris D. White, Stefano Frixione+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 38被引用 9

一句话总结

本论文研究了大型强子对撞机（LHC）上 $Wt$ 单顶夸克产生的理论描述，表明尽管在NLO下与顶对 ($t\bar{t}$) 产生存在干涉，$Wt$ 仍可被可靠地识别为一个独立的过程。通过使用 MC@NLO 匹配方法，研究显示在典型信号增强型切割下，干涉效应较小，且 $Wt$ 截面超过 $t\bar{t}$ 的尺度不确定性，验证了其作为精密物理研究和背景估计中独立信号的适用性。

ABSTRACT

We address the issue of single top production in association with a W boson at the Large Hadron Collider, in particular how to obtain an accurate description in the face of the top pair production background given that the two processes interfere with each other. We stress the advantages of an MC@NLO description, and find that for cuts used to isolate the signal, it makes sense to consider Wt as a well-defined production process in that the interference with top pair production is small, and the cross-section of the former is above the scale variation uncertainty associated with the latter. We also consider the case where both Wt and top pair production are backgrounds to a third process (Higgs boson production followed by decay to a W boson pair), and find in this context that interference issues can also be neglected. We discuss the generalization of our results to other situations, aided by a comparison between the MC@NLO approach and a calculation of the WWbb final state matched to a parton shower.

研究动机与目标

• 评估在 NLO 下 $t\bar{t}$ 产生干涉存在的情况下，$Wt$ 产生是否可被有意义地隔离为独立信号。
• 评估将 $Wt$ 视为一个明确定义的过程用于希格斯玻色子和新物理搜索中的精密测量与背景估计是否有效。
• 比较 MC@NLO 与树幅 $WWbb$ 最终态匹配部分子喷射的方法，评估哪种方法更接近底层物理。
• 确定在实际实验切割条件下，$Wt$ 与 $t\bar{t}$ 产生的干涉是否可忽略。

提出的方法

• 采用 MC@NLO 框架将 NLO 矩阵元与部分子喷射重求和相结合，实现对 $Wt$ 产生的精确描述，同时处理 $t\bar{t}$ 的干涉效应。
• 使用两种独立实现——DR（退化区域）和 DS（微分减法）——来量化 $Wt$ 与 $t\bar{t}$ 产生之间的干涉效应。
• 将 MC@NLO 结果与树幅 $WWbb$ 最终态计算结果进行比较，后者已与 HERWIG 部分子喷射匹配，且归一化至 MC@NLO 以实现截面的一致比较。
• 评估 $Wt$ 信号切割、$t\bar{t}$ 信号切割以及希格斯玻色子信号切割下的 $K$-因子，以判断是否可对不同最终态使用单一缩放因子。
• 分析总截面与运动学分布，以验证 MC@NLO 方法在各种实验切割下的一致性和可靠性。
• 评估尺度不确定性，并在不同方法间比较结果，以确定理论稳健性与实际应用价值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 NLO 下存在与 $t\bar{t}$ 产生干涉的情况下，$Wt$ 产生是否可被有意义地隔离为独立信号？
• RQ2 在典型 LHC 信号增强切割下，$Wt$ 与 $t\bar{t}$ 产生的干涉有多大？
• RQ3 MC@NLO 方法是否能提供对 $Wt$ 产生的可靠且精确的描述，还是因忽略干涉图而存在缺陷？
• RQ4 树幅 $WWbb$ 最终态匹配部分子喷射是否优于 MC@NLO，还是 MC@NLO 更好地捕捉了底层物理？
• RQ5 $Wt$ 与 $t\bar{t}$ 产生的 $K$-因子是否可视为等价，还是在不同切割下存在显著差异？

主要发现

• 在典型信号增强切割下，$Wt$ 与 $t\bar{t}$ 产生的干涉效应较小，验证了将 $Wt$ 视为独立过程的合理性。
• $Wt$ 截面超过与 $t\bar{t}$ 产生相关的尺度变化不确定性，证实其作为信号的理论稳健性。
• DR 与 DS 计算结果高度一致，表明干涉效应得到良好控制，未破坏 $Wt$ 信号定义的有效性。
• MC@NLO 与 DR/DS 的运动学分布高度一致，支持 MC@NLO 方法在 $Wt$ 信号研究中的可靠性。
• $Wt$ 信号切割的 $K$-因子与 $t\bar{t}$ 切割的 $K$-因子存在显著差异，表明两种过程无法通过简单缩放关联。
• 希格斯玻色子信号切割的 $K$-因子较大（$\simeq 2$）且具有独特性，进一步证实 $Wt$ 与 $t\bar{t}$ 产生在背景估计中不可互换。