[论文解读] Status of QCD precision predictions for Drell-Yan processes

S. Alekhin, S. Amoroso+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Quantum Chromodynamics and Particle Interactions被引用 1

一句话总结

本文对大型强子对撞机（LHC）和 Tevatron 上 Drell-Yan 过程的下一下一阶（NNLO）量子色动力学（QCD）预测进行了全面比较，包括对末态轻子施加的截断条件。在引入截断条件带来的线性幂修正后，四个独立程序之间的结果表现出极好的一致性；通过所有阶次的重求和，成功稳定了对称横动量截断下固定阶预测的不稳定性，特别是对小横动量区域的轻子对。

ABSTRACT

We compute differential distributions for Drell-Yan processes at the LHC and the Tevatron colliders at next-to-next-to-leading order in perturbative QCD, including fiducial cuts on the decay leptons in the final state. The comparison of predictions obtained with four different codes shows excellent agreement, once linear power corrections from the fiducial cuts are included in those codes that rely on phase-space slicing subtraction schemes. For $Z$-boson production we perform a detailed study of the symmetric cuts on the transverse momenta of the decay leptons. Predictions at fixed order in perturbative QCD for those symmetric cuts, typically imposed in experiments, suffer from an instability. We show how this can be remedied by an all-order resummation of the fiducial transverse momentum spectrum, and we comment on the choice of cuts for future experimental analyses.

研究动机与目标

• 验证多个独立程序对 Drell-Yan 过程的固定阶 NNLO QCD 预测，包括对衰变轻子施加的截断条件。
• 识别并解决在相空间切片方案中忽略线性幂修正所导致的预测差异。
• 研究在末态轻子上施加对称横动量截断时，固定阶预测中出现的非物理不稳定性。
• 证明所有阶次重求和在小 pT 区域附近稳定截断横动量谱的有效性。
• 为未来 LHC 高精度实验分析中的截断条件选择提供指导。

提出的方法

• 采用四个基于不同抵消方案和相空间积分技术的独立 NNLO QCD 程序，计算 LHC 和 Tevatron 上 Drell-Yan 过程的微分分布。
• 对末态轻子的横动量和赝快度施加截断条件，重点关注实验中常用的对称截断。
• 将相空间切片方法中截断条件带来的线性幂修正纳入计算，解决了与其它方法之间的先前差异。
• 利用有效场论技术，对轻子对小横动量区域中的大对数项进行所有阶次重求和。
• 将固定阶 NNLO 预测与重求和结果进行比较，评估其稳定性及对截断条件的敏感性。
• 利用 ATLAS 和 DØ 的实验数据对结果进行验证，采用基准截面和运动学配置。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何固定阶 NNLO QCD 预测在对末态轻子施加对称横动量截断时表现出不稳定性？
• RQ2 在相空间切片方案中忽略的线性幂修正，对截断截面 NNLO 预测的可靠性有多大影响？
• RQ3 对横动量对数项进行所有阶次重求和，能否稳定小 pT 区域的截断截面？
• RQ4 在引入截断幂修正后，不同 NNLO 程序之间的比较结果如何？这对理论不确定度估计有何启示？
• RQ5 这些发现对未来 LHC 上高精度 Drell-Yan 测量中截断条件的选择有何影响？

主要发现

• 在引入截断条件带来的线性幂修正后，四个独立的 NNLO QCD 程序在所有基准可观测量上均表现出极佳的一致性。
• 固定阶预测在对称横动量截断下表现出非物理不稳定性，这是由于小 pT 区域中微扰展开收敛性的破坏所致。
• 对横动量对数项进行所有阶次重求和，成功稳定了截断截面，解决了固定阶计算中观察到的不稳定性。
• 重求和预测与固定阶程序的差异极小，表明不稳定性并非由大阶数修正引起，而是由于缺失的幂修正。
• 本研究证实，截断条件显著影响理论预测，其选择必须谨慎，以避免引入非物理敏感性。
• 结果支持在高精度测量中使用重求和预测来处理截断截面，尤其是在应用对称截断时。