[论文解读] Top-quark processes at NLO in production and decay

John M. Campbell, R. Keith Ellis|arXiv (Cornell University)|Apr 6, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 34被引用 18

一句话总结

本文在MCFM蒙特卡洛框架中，对顶夸克的产生与衰变过程进行了下一阶修正（NLO）QCD计算，将顶夸克视为稳定态以保留自旋关联。该计算在产生和衰变过程中均包含了完整的NLO QCD修正，保留了完整的$b$-夸克质量依赖性，并首次对带有衰变的$t$-通道单顶夸克产生过程进行了NLO处理。该方法可为LHC和Tevatron的物理可观测量提供精确的唯象学预测。

ABSTRACT

We describe the implementation of top production and decay processes in the parton-level Monte Carlo program MCFM. By treating the top quark as being on-shell, we can factorize the amplitudes for top-pair production, s-channel single-top production, and t-channel single-top production into the product of an amplitude for production and an amplitude for decay. In this way we can retain all spin correlations. Both the production and the decay amplitudes are calculated consistently at next-to-leading order in alpha_s. The full dependence on the b-quark mass is also kept. Phenomenological results are presented for various kinematic distributions at the LHC and for the top quark forward-backward asymmetry at the Tevatron.

研究动机与目标

• 开发一种在强子对撞机上顶夸克产生与衰变过程的一致性NLO QCD框架。
• 通过在稳定顶夸克近似下分解产生与衰变振幅，保留自旋关联。
• 在NLO下于产生与衰变振幅中保留完整的$b$-夸克质量依赖性。
• 将现有NLO处理扩展至带有衰变的$t$-通道单顶夸克产生过程，此前该过程尚未在NLO下被处理。
• 为LHC和Tevatron可观测量（包括动量分布与前后不对称性）提供唯象学上精确的预测。

提出的方法

• 通过将顶夸克产生与衰变振幅分解为独立的、稳定顶夸克过程，以保留自旋关联。
• 使用$\overline{\text{MS}}$方案与维度正则化，在产生与衰变振幅中实现完整的NLO QCD修正。
• 通过Kleiss-Steinhaeuser参数化方法在矩阵元中保留完整的$b$-夸克质量依赖性，用于$W$-玻色子衰变。
• 使用反项来处理顶夸克衰变过程中胶子辐射引起的红外与紫外发散。
• 通过结合虚修正与实修正，在衰变振幅中一致地包含NLO效应，以处理顶夸克宽度。
• 全程采用四味夸克方案，对顶夸克衰变中$b$-夸克末态进行一致处理。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在保留自旋关联的前提下，一致地将NLO QCD修正应用于顶夸克产生与衰变？
• RQ2 在NLO顶夸克衰变振幅中包含完整的$b$-夸克质量对动量分布有何影响？
• RQ3 NLO修正在带有衰变的$t$-通道单顶夸克产生中的唯象学后果是什么？
• RQ4 对顶夸克宽度的NLO QCD修正如何影响总宽度与衰变分支比？
• RQ5 在顶夸克衰变中，$W$-玻色子的非稳定态效应在NLO下对末态分布的影响有多大？

主要发现

• 本文首次实现了带有完整衰变、自旋关联与$b$-夸克质量效应的$t$-通道单顶夸克产生过程的NLO QCD计算。
• 由于矩阵元结构简单，包含$b$-夸克质量的计算成本适中。
• 唯象学结果表明，在LHC的$t\bar{t}$与单顶夸克产生过程中，动量分布受到显著的NLO修正。
• Tevatron中顶夸克产生过程的前后不对称性已通过产生与衰变中的完整NLO QCD修正得到更新。
• NLO顶夸克宽度的计算与已知结果一致，并包含了来自$W$-玻色子非稳定态与$b$-夸克质量效应的修正。
• 该方法可扩展至更复杂的NLO过程，如$t\bar{t}H$、$t\bar{t}Z$与$t\bar{t}W$，并实现完整的衰变处理。