[论文解读] PROSPINO: A Program for the Production of Supersymmetric Particles in Next-to-leading Order QCD

W. Beenakker, R. Höpker+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 1996

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 295

一句话总结

PROSPINO 是一个 Fortran 程序，用于计算强子对撞机上超对称粒子（如 squarks 和 gluinos）的次领头阶（NLO）量子色动力学（QCD）修正。该程序提供横动量和快度的总截面与微分截面，包括用户自定义的截断条件，所有最终态均具有完整的 NLO 精度，显著提高了理论精度，相比领头阶预测，有效降低了尺度依赖性，并使截面值最高提升至两倍。

ABSTRACT

A Fortran-program for the production cross-sections of squarks and gluinos at hadron colliders is described. It includes full next-to-leading order SUSY-QCD corrections to all possible final states ($\squark\squarkbar, \gluino\gluino, \squark\gluino, \squark\squark$). The program allows to calculate total cross-sections as well as differential distributions in the transverse momentum p_t and the rapidity y of one of the outgoing particles. In addition cuts in p_t and y can easily be implemented.

研究动机与目标

• 通过包含次领头阶 QCD 修正，为强子对撞机上的超对称粒子产生提供精确的理论预测。
• 通过引入 NLO 修正，减少截面预测中因尺度依赖带来的理论不确定性。
• 为实验分析提供横动量和快度微分分布的精确模拟。
• 通过提供一个灵活、用户可配置的工具，支持计算具有自定义截断和部分子密度集的截面，助力对撞机物理研究。

提出的方法

• 程序使用公式 $ \frac{d^2\sigma}{dp_t\,dy} = 2p_t S \sum_{i,j} \int dx_1 dx_2 \, x_1 f_i^{h_1}(x_1,Q^2) x_2 f_j^{h_2}(x_2,Q^2) \frac{d^2\hat{\sigma}_{ij}}{dt\,du} $ 计算双微分截面，对部分子亮度进行积分。
• 程序实现了所有最终态（$ \tilde{q}\bar{\tilde{q}}, \tilde{g}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{g}, \tilde{q}\tilde{q} $）的领头阶（LO）和次领头阶（NLO）矩阵元，包含完整的颜色和自旋平均。
• 使用 VEGAS 自适应蒙特卡洛算法进行数值积分，以高精度评估多维相空间积分。
• 程序支持多种部分子密度集（GRV94、MRS(A’) 和 PDFLIB），并允许用户自定义的重整化/因子化尺度，包括 $ Q = \sqrt{m_{\tilde{q}}^2 + p_t^2} $。
• 程序实现了减法程序以处理红外发散，并通过一致的 $ \overline{MS} $-方案实现处理壳模型中间态。
• 代码结构将矩阵元、积分例程和控制逻辑分离，支持模块化扩展，并允许用户自定义输出布局和运动学截断。

实验结果

研究问题

• RQ1 与领头阶预测相比，NLO QCD 修正如何影响强子对撞机上 squarks 和 gluinos 的产生截面？
• RQ2 NLO 修正在多大程度上减少了超对称粒子产生中因尺度依赖带来的理论不确定性？
• RQ3 使用统一的 Fortran 框架，横动量和快度微分分布的计算精度如何？
• RQ4 是否可以开发一个灵活、用户可配置的程序，用于计算具有自定义截断和部分子密度集的总截面与微分截面？

主要发现

• 与领头阶预测相比，NLO QCD 修正使 squarks 和 gluinos 的产生截面最高提升至两倍。
• 引入 NLO 修正显著降低了对重整化和因子化尺度的依赖性，增强了理论预测的稳定性。
• 对于 $ \sqrt{S} = 1800 $ GeV 的质子-反质子对撞机，$ \tilde{q}\bar{\tilde{q}} $ 产生的总截面在 LO 下为 $ 0.7028 \pm 0.0017 $ pb，在 NLO 下为 $ 0.8333 \pm 0.0021 $ pb。
• 在 $ p_t = 50 $ GeV 处，微分截面 $ d\sigma/dp_t $ 在 LO 下为 $ 0.02488 \pm 0.0016 $ pb/GeV，在 NLO 下为 $ 0.03547 \pm 0.0018 $ pb/GeV。
• 在 Silicon Graphics 工作站上，完整测试用例的典型运行时间约为 35 分钟，精度极高。
• 该代码具有模块化和可扩展性，支持多种部分子密度集，并可轻松实现新截断和运动学构型。