[论文解读] The NNLO QCD corrections to Z boson production at large transverse momentum

A. Gehrmann–De Ridder, T. Gehrmann+3 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 33被引用 19

一句话总结

本论文计算了在8 TeV质子-质子碰撞中，Z玻色子横动量分布的下一阶下一阶（NNLO）量子色动力学（QCD）修正，采用NNLO JET蒙特卡罗生成器结合胶子发射减法方法。NNLO修正的引入显著改善了理论与实验数据的一致性，当分布归一化至包含式Drell–Yan截面时，解决了NLO理论与实验之间存在的差异，从而实现了在NNLO精度下对部分子分布函数和强耦合常数αs的高精度QCD研究。

ABSTRACT

The transverse momentum distribution of massive neutral vector bosons can be measured to high accuracy at hadron colliders. The transverse momentum is caused by a partonic recoil, and is determined by QCD dynamics. We compute the single and double-differential transverse momentum distributions for fully inclusive $Z/γ^*$ production including leptonic decay to next-to-next-to-leading order (NNLO) in perturbative QCD. We also compute the same distributions normalised to the cross sections for inclusive $Z/γ^*$ production, i.e. integrated over the transverse momentum of the lepton pair. We compare our predictions for the fiducial cross sections to the 8 TeV data set from the ATLAS and CMS collaborations, which both observed a tension between data and NLO theory predictions, using the experimental cuts and binning. We find that the inclusion of the NNLO QCD effects does not fully resolve the tension with the data for the unnormalised $p^Z_T$ distribution. However, we observe that normalising the NNLO $Z$-boson transverse momentum distribution by the NNLO Drell-Yan cross section substantially improves the agreement between experimental data and theory, and opens the way for precision QCD studies of this observable.

研究动机与目标

• 计算质子-质子碰撞中大横动量区域Z玻色子横动量分布的NNLO QCD修正。
• 解决NLO QCD理论预测与LHC数据在Z玻色子横动量分布方面长期存在的张力问题。
• 通过将分布归一化至束照Drell–Yan截面，实现理论与实验的高精度比较。
• 通过减小理论不确定性，为未来全球部分子分布函数拟合及αs在NNLO精度下的提取提供支持。

提出的方法

• 计算采用实现胶子发射减法方法的NNLO JET部分子级蒙特卡罗生成器，以实现强子碰撞中红外安全的NNLO计算。
• 对完全包含的Z/γ*产生过程（包括轻子衰变）计算横动量分布，对轻子动量施加与实验条件匹配的束照截断。
• 通过在Z玻色子上施加低横动量截断，确保最终态辐射平衡其横动量，从而保证红外 finiteness。
• 使用相同的束照截断和分箱方式，将理论预测与8 TeV ATLAS和CMS数据进行比较，同时考虑未归一化和归一化分布。
• 通过将微分分布除以所有Z玻色子横动量积分的NNLO Drell–Yan截面，完成归一化。
• 考虑了电弱修正，但发现在归一化分布中这些修正大部分被抵消，因此可集中关注QCD效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 NNLO QCD修正是否能解决NLO理论与LHC数据在Z玻色子横动量分布方面观察到的张力？
• RQ2 NNLO修正如何影响束照相空间中微分截面的形状与归一化？
• RQ3 将横动量分布归一化至包含式Drell–Yan截面，在多大程度上改善了与实验数据的一致性？
• RQ4 与NLO相比，NNLO下理论尺度不确定性的变化如何影响归一化分布？
• RQ5 NNLO下理论精度的提升是否能够实现利用Z玻色子横动量数据对部分子分布函数和αs进行一致的全球拟合？

主要发现

• 与NLO相比，未归一化Z玻色子横动量分布的NNLO修正适中且为正，在大pT区域使理论预测增加5–8%。
• 尽管存在NNLO修正，未归一化分布仍与ATLAS和CMS数据存在5–8%的差异，表明绝对截面中仍存在持续的张力。
• 将分布归一化至NNLO Drell–Yan截面后，与ATLAS和CMS数据达到极佳的一致性，尤其在较大mℓℓ和所有|yZ|区间表现更优。
• NNLO尺度不确定度降低至2–4%，显著提升了理论精度，使与实验数据的可靠比较成为可能。
• 归一化分布中的一致性提升，使得高精度QCD研究成为可能，包括未来部分子分布函数的全球拟合及αs在NNLO精度下的提取。
• 结果表明，归一化对于有意义的理论-实验比较至关重要，因为它抑制了尺度不确定性，并增强了对高阶QCD效应的敏感性。