[论文解读] NNLL threshold resummation for the total top-pair production cross section

Μ. Beneke, P. Falgari+3 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 28被引用 7

一句话总结

本文针对质心系能量最高达14 TeV的费米子对撞机（Tevatron）和大型强子对撞机（LHC）上的顶夸克对产生截面，实现了下一阶对数（NNLL）阈值重求和，包含软胶子修正与库仑修正。NNLL修正使LHC上的截面增加1–3%，Tevatron上增加8%，理论不确定性降低至10%以下，从而可利用当前LHC数据以±5 GeV的精度确定顶夸克极质量。

ABSTRACT

We present predictions for the total top-quark pair production cross section at the Tevatron and the LHC with 7,8 and 14 TeV centre-of-mass energy, including the resummation of threshold logarithms and Coulomb corrections through next-to-next-to-leading logarithmic order, and top-antitop bound-state contributions. The remaining theoretical and PDF uncertainties and prospects for the measurement of the top mass from the total cross section are discussed.

研究动机与目标

• 通过在NLO以上重求和阈值对数项与库仑修正，提升顶夸克对产生截面的理论精度。
• 将截面预测的理论不确定性降低至与LHC和Tevatron实验精度（约7%）相当的水平。
• 利用NNLL重求和截面，实现从总截面测量中更精确地提取顶夸克极质量。
• 评估不同PDF集合与质心系能量下PDF不确定性对截面预测的影响。
• 为未来基于NNLL重求和截面的顶夸克物理高精度研究提供公开工具。

提出的方法

• 计算采用动量空间方法，基于重夸克QCD振幅的红外结构，将软胶子修正重求和至NNLL精度。
• 库仑修正及其与软胶子项的干涉效应被包含至NNLL阶，同时引入束缚态贡献以修正截面。
• 通过涉及β = √(1 - 4m_t²/ŝ)的对数与幂次修正的指数形式实现重求和，系数由两圈计算导出。
• 通过比较不同NNLL实现方式与展开至N³LO精度的结果，估算理论不确定性。
• 使用多种全球PDF集合（MSTW08、NNPDF2.1、ABM11、JR09VR）评估PDF与α_s不确定性，固定α_s(M_Z) = 0.118以作比较。
• 通过重求和项的展开近似包含NNLO修正，并对未知的常数NNLO及更高阶效应进行额外估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 NNLL阈值重求和对LHC与Tevatron上总顶夸克对产生截面有何影响？
• RQ2 在7、8和14 TeV质心系能量下，软胶子与库仑修正如何影响理论预测？
• RQ3 PDF不确定性在顶夸克对截面预测的理论不确定性中占多大程度？
• RQ4 能否利用NNLL重求和截面，从总截面测量中以子10 GeV精度提取顶夸克极质量？
• RQ5 不同NNLL实现方式与PDF集合如何影响预测截面的中心值与不确定性？

主要发现

• 与NLO预测相比，NNLL重求和使Tevatron上的总顶夸克对产生截面增加约8%，LHC上增加1–3%。
• NNLO近似结果（NNLO_app）已捕捉到绝大部分NNLL修正，Tevatron上额外的高阶效应贡献小于2%，LHC上贡献小于1%。
• 在NNLL精度下，库仑修正与束缚态贡献约为0.5%；软胶子与库仑效应的干涉项在NNLO_app水平贡献1–2%。
• NNLL预测的理论不确定性已降低至截面约±5 GeV，主要不确定性来源于PDF与α_s。
• 利用当前LHC截面数据，可实现±5 GeV精度的顶夸克极质量提取，ATLAS数据的分析结果为m_t = 169.8^{+4.9}_{-4.7} GeV，结果一致。
• 当固定α_s时，不同PDF集合的中心值在68%置信水平内保持一致，但集合间的差异超过单个PDF不确定性，凸显PDF系统学的重要性。