[论文解读] Soft Gluon Resummation in $t$-channel single top quark production at the LHC

Qing-Hong Cao, Peng Sun+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本论文利用横动量依赖（TMD）因子化方法，对大型强子对撞机（LHC）上 $t$-通道单顶夸克产生过程中的软胶子辐射进行了下一阶对数（NLL）重求和。结果表明，初态与末态之间的色相干效应显著改变了 $q_\perp$ 谱和 $\phi^*$ 分布，尤其是在前向喷胶区域，导致在 $\phi^*<0.05$ 时，顶夸克的截面比 PYTHIA 高出 15%，反顶夸克高 11%，凸显了在高精度顶夸克物理研究中改进理论模型的必要性。

ABSTRACT

We present a detailed phenomenological study of the multiple soft gluon radiation for the $t$-channel single top and anti-top quark production at the Large Hadron Collider (LHC). By applying the transverse momentum dependent factorization formalism, large logarithms introduced by small total transverse momentum $q_\perp$ of the single-top (anti-top) plus one-jet final state system are resummed to all orders in the expansion of the strong interaction coupling at the accuracy of Next-to-Leading Logarithm. We discuss various kinematical distributions which are sensitive to this effect and find that soft gluon radiation become more important when the final state jet is required to be in the forward region. We show that the main difference from PYTHIA prediction lies on the inclusion of the exact color coherence effect between the initial and final states in our resummation calculation. We further propose to apply the experimental observable $ϕ^*$ to test the effect of multiple gluon radiation in the single-top and anti-top events. The bottom quark mass effect and jet rapidity distribution are also discussed.

研究动机与目标

• 在固定阶 QCD 之外，改进 LHC 上 $t$-通道单顶夸克产生过程中软胶子辐射的理论描述。
• 量化初态与末态之间色相干效应对动量分布的影响，特别是前向喷胶区域。
• 提出 $\phi^*$ 作为区分重求和效应与 PYTHIA 等部分子喷发模型的高精度可观测量。
• 评估重求和对测量 $V_{tb}$ 及探测顶夸克物理中 $Wtb$ 异常耦合的影响。

提出的方法

• 应用横动量依赖（TMD）因子化形式，将强耦合 $\alpha_s$ 中的对数项 $\ln(Q^2/q_\perp^2)$ 重求和至 NLL 精度。
• 利用重整化群演化重求和软胶子修正，并与 NLO 结果匹配以验证结果。
• 通过 SudaKov 指数中的相干因子 $T$ 精确包含色相干效应，与部分子喷发模型相区别。
• 在不同喷胶快度区域比较重求和结果与 PYTHIA 预测的 $q_\perp$ 和 $\phi^*$ 分布。
• 通过施加 $\phi^*$ 截断条件评估截面，以评估实验分析中理论不确定性的敏感度。
• 在重求和框架中引入底夸克质量效应和喷胶快度分布，以提升现象学精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 软胶子重求和效应如何改变 $t$-通道产生中单顶夸克加一喷胶末态的横动量分布？
• RQ2 初态与末态之间的色相干效应在前向喷胶区域在多大程度上改变了 $q_\perp$ 谱和 $\phi^*$ 分布？
• RQ3 在施加 $\phi^*$ 截断时，重求和预测与 PYTHIA 在截面值上存在何种差异？
• RQ4 $\phi^*$ 可观测量是否能作为区分重求和 QCD 效应与部分子喷发模型的敏感探针？
• RQ5 底夸克质量与喷胶快度对 $t$-通道单顶夸克产生中重求和动量分布有何影响？

主要发现

• 重求和计算在小 $q_\perp$ 区域与 NLO 结果完全一致，验证了该形式体系的正确性。
• 重求和框架得到的 NLO 总截面与 MCFM 预测完全一致，确认了结果的一致性。
• 当末态喷胶位于前向区域（$|y_J| \geq 3$）时，重求和得到的 $q_\perp$ 谱与 PYTHIA 显著偏离，尤其由于色相干效应。
• 在 $\phi^*<0.05$ 条件下，重求和模型中顶夸克的截面比 PYTHIA 高出 15%，反顶夸克高 11%，尤其在前向喷胶区域。
• 在 $\phi^*<0.1$ 条件下，差异为顶夸克 6%，反顶夸克 4%，表明实验分析中存在不可忽视的理论不确定性。
• 在 SudaKov 指数中引入相干因子 $T$ 至关重要，若省略该因子，$\phi^*$ 分布将发生显著偏移，凸显其对色结构敏感性的关键作用。