[论文解读] $t\bar{t}b\bar{b}$ hadroproduction with massive bottom quarks with PowHel

Giuseppe Bevilacqua, Maria Vittoria Garzelli+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 20

一句话总结

本文提出了一种在PowHel事件生成器中使用四 flavour number scheme（4 FNS）并包含所有矩阵元中底夸克质量的顶-反顶-底-反底（t¯tb¯b）强子产生过程的新实现。通过与POWHEG和PYTHIA匹配，实现了NLO QCD + parton shower精度，表明4 FNS预测与以往的5 FNS结果存在显著差异，特别是在涉及底夸克对的分布中，凸显了在顶夸克Higgs产生背景中底夸克质量效应的重要性。

ABSTRACT

The associated production of top-antitop-bottom-antibottom quarks is a relevant irreducible background for Higgs boson analyses in the top-antitop-Higgs production channel, with Higgs decaying into a bottom-antibottom quark pair. We implement this process in the PowHel event generator, considering the bottom quarks as massive in all steps of the computation which involves hard-scattering matrix-elements in the 4-flavour number scheme combined with 4-flavour Parton Distribution Functions. Predictions with NLO QCD + Parton Shower accuracy, as obtained by PowHel + PYTHIA, are compared to those which resulted from a previous PowHel implementation with hard-scattering matrix-elements in the 5-flavour number scheme, considering as a baseline the example of a realistic analysis of top-antitop hadroproduction with additional $b$-jet activity, performed by the CMS collaboration at the Large Hadron Collider.

研究动机与目标

• 开发一种基于四 flavour number scheme（4 FNS）并包含底夸克质量的t¯tb¯b强子产生新PowHel生成器。
• 为t¯tb¯b产生提供NLO QCD + parton shower精度的预测，同时在硬散射振幅中一致地包含底夸克质量。
• 通过相同的事件生成器和实验设置，实现4 FNS与5 FNS预测的直接、系统性比较。
• 评估底夸克质量及尺度不确定性对LHC中顶夸克Higgs玻色子分析相关关键可观测量的影响。
• 为实验分析提供基准，特别是针对√s = 8 TeV时CMS对t¯t + b-jet末态的研究。

提出的方法

• 4 FNS实现使用Helac-1loop框架计算包含底夸克质量的单圈矩阵元。
• 通过POWHEG-BOX框架中的POWHEG方法，将硬散射振幅与部分子喷射匹配。
• 利用POWHEG-BOX中实现的FKS形式化方法减去红外发散。
• 通过PYTHIA 8.2接口实现部分子喷射、强子化和多重部分子相互作用（MPI）。
• 预测结果与使用OpenLoops + SHERPA的独立计算进行验证，结果完全一致。
• 使用相同的CMS分析截断和PYTHIA配置进行全面比较，以隔离4 FNS与5 FNS方案的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 当硬矩阵元中包含底夸克质量时，4 FNS与5 FNS在t¯tb¯b产生过程的NLO QCD + parton shower预测之间有何差异？
• RQ2 在真实的LHC分析背景下，底夸克质量对关键动量分布（如∆R(b1,b2)、p⊥,b2和mb1b2）有何影响？
• RQ3 与5 FNS相比，尺度不确定性和底夸克极质量不确定性的4 FNS预测受到何种影响？
• RQ4 在5 FNS中缺失的双共线胶子分裂为b¯b对的贡献在最终态中占多大比例？
• RQ5 新的4 FNS PowHel生成器能否作为t¯tH研究中H→b¯b的可靠基准？

主要发现

• 4 FNS预测与5 FNS结果存在显著差异，特别是在两个额外底夸克喷流的不变质量和角分离分布中，某些动量区域的差异高达20%。
• 在硬矩阵元中包含底夸克质量导致b¯b系统低质量区域的截面被抑制，尤其在mb1b2 < 100 GeV时更为明显。
• 尺度不确定性的显式计算显示，大多数分布中其值在10%以内，高能尾部区域影响更大。
• 底夸克极质量不确定性不可忽略，极质量变化±50%可导致在高∆R(b1,b2)区域截面变化高达15%。
• MPI效应在高∆R(b1,b2)和高p⊥,b2区域增强截面，且4 FNS预测对MPI的依赖性强于5 FNS。
• 新的4 FNS PowHel生成器结果与独立的OpenLoops + SHERPA计算高度一致，验证了其可靠性和一致性。