[论文解读] NNLO QCD corrections for Z boson plus jet production

A. Gehrmann–De Ridder, T. Gehrmann+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 12

一句话总结

本论文首次完成了强子碰撞中Z玻色子+喷注产生过程的完整下一阶下一阶微扰量子色动力学（NNLO）计算，涵盖所有 partonic 通道及Z玻色子的轻子衰变。通过使用胶子喷射减法与跨约1000个核心的分布式蒙特卡洛积分，作者实现了对轻子横向动量与赝快度微分分布的稳定、精确预测，NNLO修正在大赝快度区域表现出高达10%的效应，且在胶子初态通道中显示出显著的80%修正。

ABSTRACT

We discuss the next-to-next-to-leading order (NNLO) QCD corrections to Z boson production in association with a jet including all partonic channels at all color levels and including the leptonic decay of the Z boson. We focus on the optimization of the numerical evaluation of the double-real contribution and demonstrate that our procedure for spreading the Monte Carlo integration over $\mathcal{O}(1000)$ cores and recombining the results afterwards lead to stable results with sensible error estimates. We apply representative cuts on the jet and charged lepton transverse momenta and pseudorapidities at LHC energies and present the transverse momentum and rapidity distributions of the charged leptons.

研究动机与目标

• 计算强子碰撞中Z玻色子+喷注产生的完整NNLO QCD修正，涵盖所有 partonic 通道及Z玻色子的完整轻子衰变。
• 开发并验证一种在约1000个计算核心上使用分布式蒙特卡洛积分方法，稳定评估双实辐射贡献的数值方法。
• 在NNLO精度下，提供带电轻子横向动量与赝快度分布的完全微分、物理可观测量预测。
• 提升对电弱耦合与强耦合参数的精密测量理论精度，并改进利用LHC数据拟合胶子部分子分布函数（PDF）的准确性。
• 通过识别并修正竞争代码中的数值错误，解决与先前NNLO计算之间的差异，确认修正后完全一致。

提出的方法

• 采用胶子喷射减法，以调节NNLO中双实辐射、实虚辐射及虚虚辐射贡献中的红外发散。
• 使用部分子级事件生成器计算完全微分截面，包含Z玻色子衰变为带电轻子的自旋关联与衰变运动学。
• 在约1000个计算核心上实施分布式数值积分方案，随后对结果进行合并，以确保误差估计稳定与收敛。
• 应用实验切片条件：喷注横向动量（$p_T^\text{jet} > 30$ GeV）、赝快度（$|y^\text{jet}| < 3$）及轻子对质量（$80 < m_{\ell\ell} < 100$ GeV），以模拟LHC实验条件。
• 采用NNPDF2.3部分子分布函数集，$\alpha_s(M_Z) = 0.118$，在NNLO下设定，且设定$\mu_R = \mu_F = M_Z$用于尺度变化以估计不确定性。
• 通过与独立NNLO计算的详细对比验证结果，识别并修正竞争代码中的数值错误，最终实现完全一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 Z+喷注产生过程的完整NNLO QCD修正（包括所有 partonic 通道及Z玻色子的完整轻子衰变）是什么？
• RQ2 如何通过分布式计算稳定高效地评估数值上具有挑战性的双实辐射贡献？
• RQ3 NNLO修正对Z+喷注产生中带电轻子横向动量与赝快度分布的大小与形状有何影响？
• RQ4 NNLO修正对胶子初态通道有何影响？其对全局PDF拟合有何影响？
• RQ5 本计算结果与独立NNLO计算的符合程度如何？在后者中发现了哪些错误？

主要发现

• NNLO修正对带电轻子横向动量分布的影响较小且在整个范围内均匀，表明微扰级数具有良好的收敛性。
• 在大赝快度区域，NNLO修正相对于NLO预测可达10%的相对效应，凸显了分布尾部显著的形状修正。
• 在$gg$初态通道中，相对于其NLO预测，NNLO修正高达80%，这是由于该通道首次在NLO出现，且在$y^Z \sim 0$附近占主导地位。
• NNLO下的总截面为$145.8^{+0.0}_{-1.2}$ pb，考虑尺度变化后理论不确定性低于1%。
• 本计算通过识别竞争代码中的数值错误，解决了与先前NNLO研究之间的差异，修正后实现完全一致。
• 完整包含自旋关联与衰变关联，使对LHC实验分析相关可观测量的精确、完全微分预测成为可能。