[论文解读] Top-Quark Physics at the LHC

S. Moch, Jürgen Reuter|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 24被引用 1

一句话总结

本论文针对大型强子对撞机（LHC）上的顶夸克对及单顶夸克产生过程，完成了近近邻次领头阶（NNLO）量子色动力学（QCD）计算，实现了对顶夸克质量及强耦合常数的高精度测定。研究还首次实现了未来正负电子对撞机上阈值区与连续区顶夸克产生过程的完全匹配的独家计算，显著提升了顶夸克-希格斯耦合提取及电弱真空稳定性研究的精度。

ABSTRACT

We report on the precision determination of the top-quark mass to next-to-next-to-leading order in QCD in well-defined renormalization schemes using data from the Large Hadron Collider for single-top and top-quark pair production. We also discuss the calibration of the so-called Monte Carlo top-quark mass parameter which is determined from a comparison to events with top-quark decay products. The implications of the measured value of the top-quark mass for conclusions about the stability of the electroweak vacuum state of our Universe are illustrated. At future lepton colliders, we provide for the first time matched exclusive calculations valid both at the top threshold and in the continuum, also fully differentially. In addition, we calculate fully off-shell top-pair production (also with an associated Higgs boson) at next-to-leading order in QCD, which allows to extract the top-Yukawa coupling with an unprecedented precision.

研究动机与目标

• 利用MS重正化方案，实现基于LHC数据对顶夸克质量的近近邻次领头阶（NNLO）QCD精度测定。
• 校准事件重建中用于顶夸克衰变产物的蒙特卡罗顶夸克质量参数。
• 评估测量得到的顶夸克质量与强耦合常数对电弱真空在高能标下稳定性的意义。
• 为未来e+e−对撞机上的顶夸克对产生过程，开发首个在阈值区与连续区均适用的完全匹配的独家计算。
• 对包含希格斯玻色子的全壳外顶夸克对产生过程执行近领头阶（NLO）QCD计算，以实现对顶夸克-希格斯耦合常数前所未有的高精度提取。

提出的方法

• 在MS方案下，利用Hathor程序包与ABMP16部分子分布函数，计算包含顶夸克对及单顶夸克产生截面的NNLO QCD修正。
• 通过尺度与PDF不确定性分析，量化在√s = 7、8和13 TeV下的截面预测理论不确定性。
• 采用因子化双极点近似与壳上投影方法，将阈值区的非相对论性QCD（NRQCD）计算与连续区的相对论性NLO QCD计算匹配，同时保持规范不变性。
• 对初态辐射中的软-胶子QED辐射及硬-胶子光子进行全阶次重求和，精确至α的三次幂。
• 在e+e−对撞机上，对t¯tH与W+W−b¯bH过程执行全微分NLO QCD计算，包含匹配后的阈值区与连续区结果。
• 利用WHIZARD+OpenLoops框架，计算并比较e+e−→t¯tH与e+e−→W+W−b¯bH过程的LO与NLO截面。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 7、8和13 TeV的LHC数据中，NNLO QCD精度下顶夸克质量的测定精度如何？
• RQ2 如何利用实验事件数据与理论预测，可靠地校准蒙特卡罗顶夸克质量参数？
• RQ3 测量得到的顶夸克质量与αs对高能标下电弱真空稳定性有何影响？
• RQ4 在未来的正负电子对撞机上，如何实现全壳外顶夸克对产生过程在非相对论性阈值区与相对论性连续区之间的NLO QCD计算完全匹配？
• RQ5 在NLO QCD下，对包含关联希格斯玻色子的全壳外顶夸克对产生过程，其对顶夸克-希格斯耦合常数测量精度的提升程度如何？

主要发现

• 在√s = 7 TeV下，使用mt(mt) = 160.9 GeV（MS方案）与ABMP16 PDF，NNLO QCD下包含顶夸克对的总截面为171.8 +0.1/-5.3 ±3.4 pb；在√s = 8 TeV下为247.5 +0.0/-7.5 ±4.6 pb；在√s = 13 TeV下为831.4 +0.0/-23.1 ±14.5 pb。
• 由于NNLO QCD精度及ABMP16 PDF拟合中高精度LHC数据的结合，截面的理论不确定性显著降低，PDF+αs+mt的联合不确定性处于1–2%水平。
• 首次提出e+e−→W+bW−¯b过程的完全匹配独家计算，将连续区的NLO QCD与阈值区的NLL NRQCD结合，并完整包含QED初态辐射效应。
• 匹配后的计算有效降低了尺度与非微扰不确定性，准确描述了阈值区与连续区行为，避免了纯NRQCD在连续区的失效（如图11中虚线黑线所示）。
• 微分分布（如b喷注与W+玻色子的不变质量）显示，使用匹配后的NLO+NRQCD结果时，与实验数据的符合度优于仅使用固定阶NLO计算的结果。
• 研究表明，通过NLO QCD下的全壳外t¯tH产生过程，可实现对顶夸克-希格斯耦合常数前所未有的高精度提取，为未来正负电子对撞机上对标准模型的敏感检验提供了可能。