[论文解读] Second order QCD corrections to gluonic jet production at hadron colliders

James Currie, A. Gehrmann–De Ridder+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文首次报告了强子对撞机上胶子胶子二胶子喷注产生过程的下一下一阶（NNLO）QCD修正的数值结果，重点研究了主导色因子的 $q\bar{q} \to gg$ 过程，采用 NNLOJET 框架。结果表明，与下一阶（NLO）相比，NNLO 修正使二胶子喷注截面增加了 16–27%，表现出显著的尺度依赖性，并显著提升了 LHC 上全局 PDF 和 $\alpha_s$ 拟合的精度。

ABSTRACT

We report on the calculation of the next-to-next-to-leading order (NNLO) QCD corrections to the production of two gluonic jets at hadron colliders. In previous work, we discussed gluonic dijet production in the gluon-gluon channel. Here, for the first time, we update our numerical results to include the leading colour contribution to the production of two gluonic jets via quark-antiquark scattering.

研究动机与目标

• 计算强子对撞机上胶子胶子二胶子喷注产生过程在 $q\bar{q} \to gg$ 通道中的下一下一阶（NNLO）QCD 修正。
• 将先前针对 $gg \to gg$ 通道的 NNLO 结果扩展至包含主导色因子的 $q\bar{q} \to gg$ 子过程，该过程在高 $p_T$ 区域占主导地位。
• 提供包含喷注和二胶子喷注可观测量的完全微分截面在 NNLO 下的结果，以实现与 LHC 数据的高精度比较。
• 量化高阶 QCD 效应对喷注产生过程的影响，从而减小基于喷注数据的 $\alpha_s$ 和 PDF 确定中的理论不确定性。
• 为未来将 $qg$ 通道及完整的全色因子 $2\to 2$ 二胶子喷注过程纳入 NNLO 计算奠定基础。

提出的方法

• 采用胶子喷注减法方法处理 NNLO 下虚辐射和实辐射修正中的红外奇点。
• 使用 NNLOJET 程序进行部分子级生成，计算包含喷注和二胶子喷注可观测量的完全微分截面。
• 采用反-$k_T$ 胶子喷注算法，参数 $R=0.7$，并应用标准喷注选择条件：$p_T > 80$ GeV，$|y| < 4.4$，且对二胶子喷注满足 $p_{T2} > 60$ GeV。
• 对每个事件动态设置因子化和重整化尺度为 $\mu = p_{T1}$，以最小化尺度依赖性。
• 将 $gg \to gg$ 和 $q\bar{q} \to gg$ 通道的结果合并，其中前者主导总截面。
• 通过扇形分解和迭代减法技术对相空间进行数值积分，以处理紫外和红外发散。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 LHC 上，$q\bar{q} \to gg$ 子过程的二胶子喷注产生过程中，NNLO QCD 修正的大小是多少？
• RQ2 NNLO 修正如何影响包含喷注横动量分布和二胶子喷注质量谱？
• RQ3 与 $gg \to gg$ 通道相比，$q\bar{q} \to gg$ 通道对总二胶子喷注截面的影响如何？
• RQ4 NNLO/NLO 的 $k$-因子如何随 $p_T$、快度和二胶子喷注质量变化？
• RQ5 NNLO 修正在多大程度上减小了基于喷注数据的 $\alpha_s$ 和 PDF 拟合中的理论不确定性？

主要发现

• 包含喷注横动量截面的 NNLO/NLO $k$-因子在低 $p_T$ 时约为 1.27，在高 $p_T$ 时为 1.16，表明相比 NLO 增加了 16–27%。
• 仅考虑 $q\bar{q} \to gg$ 通道时，NNLO/NLO $k$-因子约为 1.05，对应 5% 的修正。
• 双微分 $k$-因子 $d^2\sigma/dp_T d|y|$ 在不同快度区间内保持相对平坦，修正幅度在 16% 至 27% 之间，具体取决于 $p_T$。
• 二胶子喷注质量谱显示，NNLO/NLO $k$-因子在低 $m_{jj}$ 时为 1.25，中等 $m_{jj}$ 时降至 1.13，高 $m_{jj}$ 时回升至 1.20。
• 不同快度区间的修正结果一致，表明 NNLO 结果在中央和前向喷注区域均具有鲁棒性。
• $gg \to gg$ 通道主导总二胶子喷注截面，但 $q\bar{q} \to gg$ 的贡献对全色因子精度和未来全局拟合至关重要。