[论文解读] Next-to-Leading Order QCD Corrections to Heavy-Flavour Production in Neutral Current DIS

Felix Hekhorn|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 100被引用 3

一句话总结

本博士论文首次完成了在中性流深度非弹性散射（DIS）中重味夸克对产生过程的完整下一阶修正（NLO）QCD计算，涵盖虚修正、实辐射及初态轻夸克贡献。论文提出了两种不同的相空间参数化方法——以s4为中心和以s5为中心，实现了高效的数值计算，为未来电子-离子对撞机（EIC）实验中底夸克与粲夸克产生提供了高精度预测，并推动了极化部分子分布函数（pPDFs）的改进测定。

ABSTRACT

In the last few decades Quantum Chromo Dynamics (QCD) became a major field for high energy physics. Large experiments have been and will be built to investigate all implications that are predicted by its master formula, the Lagrangian density. The Large Hadron Collider (LHC), the “largest machine of mankind”, was built to test the predictions of the standard model (SM) to a very high accuracy and so we finally arrived in the era of high precision physics. The demand for precision requires more and more effort to compute all necessary pieces. In this PhD thesis we close one of the last missing pieces in the set of next-to-leading order (NLO) QCD calculations. We discuss the production of a heavy quark pair in deeply inelastic scattering (DIS) and compute all parts that are required at NLO accuracy. We settle the needed frameworks and notations before computing the matrix elements first at leading order (LO) and then for all contributions at NLO. We compute two different decompositions of the required phase space to realize two different numerical codes, which in turn specialize in different experimental observables. Along the way, we give useful tips and tricks and highlight some of the mathematical challenges on the road of NLO calculations. Finally, we discuss the possibilities to apply these calculations to the planned spin physic program at a future Electron-Ion Collider (EIC). The discussed charm quark production can improve the determination of polarized parton distribution functions (pPDFs). On the other hand, we discuss the possibilities to obtain a further improved calculation of heavy quark structure functions by including the Z-boson exchange in neutral current (NC) DIS.

研究动机与目标

• 通过提供中性流DIS中重夸克对产生过程的完整框架，填补NLO QCD计算中的关键空白。
• 开发两种数值高效的相空间分解方法（以s4为中心和以s5为中心），以适配不同实验观测量。
• 实现面向未来电子-离子对撞机（EIC）计划的粲夸克与底夸克产生过程的高精度预测。
• 评估Z玻色子交换对中性流DIS中重夸克结构函数的影响。
• 通过包含重味夸克产生过程，支持极化部分子分布函数（pPDFs）的改进测定。

提出的方法

• 基于微扰QCD和因子化定理的形式体系，将短程部分子过程与长程强子结构分离。
• 利用费曼图和螺旋度振幅计算一阶（LO）与下一阶（NLO）矩阵元。
• 实现两种不同的相空间分解：一种以s4不变量为中心（适用于包含型观测量），另一种以s5不变量为中心（适用于微分分布）。
• 采用维度正规化与重整化方法处理圈积分中的紫外与红外发散。
• 采用先进的计算工具（FeynCalc、LoopTools、TRACER）与解析技术处理张量与标量积分。
• 引入有限宽度效应与Z交换贡献，以完整建模中性流DIS过程。

实验结果

研究问题

• RQ1 中性流DIS中重夸克对产生的完整NLO QCD修正（包括虚修正、实辐射及初态轻夸克贡献）是什么？
• RQ2 如何构建两种不同的相空间参数化（以s4为中心与以s5为中心），以优化不同实验观测量的数值稳定性与效率？
• RQ3 NLO重味夸克产生在DIS中能在多大程度上改进EIC中极化部分子分布函数（pPDFs）的测定？
• RQ4 Z玻色子交换对中性流DIS中结构函数有何影响？如何在一致的NLO框架中纳入该效应？
• RQ5 在DIS中进行重味夸克产生的完整NLO QCD计算时，面临哪些关键的数学与计算挑战？

主要发现

• 本论文首次完成了中性流DIS中重味夸克产生的完整NLO QCD计算，包含所有必需的矩阵元与相空间积分。
• 成功开发了两种相空间参数化方法——以s4为中心与以s5为中心，分别针对不同类别的观测量进行了优化：包含截面与微分分布。
• 以s5为中心的框架可精确计算横动量分布及其他微分观测量，对EIC物理至关重要。
• 研究表明，在中性流DIS中纳入Z玻色子交换是可行且必要的，可显著提升NLO精度下结构函数建模的准确性。
• 结果为未来利用粲夸克产生数据从EIC实验中高精度提取极化部分子分布函数（pPDFs）奠定了基础。
• 本工作建立了基于符号与数值工具的稳健计算基础设施，为未来向更高阶及其它过程的扩展提供了支持。