[论文解读] Top Quark Production and Decay in Herwig 7.1

Johannes Bellm, K. Cormier+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 30, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本论文在Herwig 7.1蒙特卡罗事件生成器中实现了顶夸克模拟的重大进展，包括改进的角有序与双体喷注辐射，增强了动量反冲处理和带质量部分子运动学。主要贡献包括：采用新型喷注起始尺度选择的NLO匹配顶夸克产生与衰变，以及一种新颖的NLO多喷注合并算法，显著提升了大型强子对撞机（LHC）中t\bar{t}事例的喷注多重性和H_T分布预测精度。

ABSTRACT

A summary of recent developments in the simulation of top quark production and decay in the Herwig Monte Carlo event generator.

研究动机与目标

• 解决Herwig 7.0中顶夸克产生与衰变模拟的缺陷，特别是t\bar{t}对的不变质量以及B-夸克碎片化函数方面的问题。
• 通过利用硬过程中的色荷信息，改进部分子喷注辐射中的反冲与动量守恒处理。
• 为NLO匹配的t\bar{t}事例引入一种新的可选喷注起始尺度μ_opt，以减少尺度依赖带来的理论不确定性。
• 基于统一化合并范式，实现一种新的NLO多喷注合并算法，以更准确地描述高喷注多重性的末态。
• 利用Powheg衰变校正框架，在单一事件生成器框架内对顶夸克的产生与衰变实现一致的NLO QCD修正。

提出的方法

• Herwig 7.1中的角有序喷注现在在动量重分配过程中更有效地利用色荷信息，以恢复能量-动量守恒，从而减少非物理的离壳效应。
• 双体喷注已针对重夸克部分子进行全面重构，包括适用于重初始态与末态双体的新型运动学与雅可比行列式，提升了重夸克碎片化模拟的准确性。
• 新的喷注起始尺度μ_opt定义为硬过程末态粒子横向质量的均方根：μ_opt² = (1/n_out) Σ m_T,i²。
• 实现了一种基于统一化合并范式的NLO多喷注合并算法，支持将树幅与一阶修正矩阵元按喷注多重性逐步合并。
• 顶夸克衰变现采用窄宽度近似进行喷注处理，确保衰变与后续喷注之间动量守恒，并通过内置的Powheg衰变模块应用NLO修正。
• Herwig 7.1中的两种喷注模型现在均可通过Matchbox模块，采用减法或乘法匹配方案，实现顶夸克产生与衰变的NLO匹配模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何改进角有序喷注中的反冲处理，以减少顶夸克对产生中的非物理离壳效应？
• RQ2 新的μ_opt喷注起始尺度对7 TeV下t\bar{t}事例中喷注多重性分布有何影响？
• RQ3 经过改进的双体喷注在重夸克部分子运动学下，对LEP能量下B-碎片化函数有何影响？
• RQ4 新的NLO多喷注合并算法在8 TeV下对t\bar{t}事例中H_T分布的描述能力提升了多少？
• RQ5 是否可在单一事件生成器框架内，对顶夸克的产生与衰变同时应用一致的NLO QCD修正？

主要发现

• 新的μ_opt喷注起始尺度在所有喷注多重性区间均降低了喷注多重性预测值，尤其在双体喷注中效果更显著，表明尺度依赖性明显降低。
• Herwig 7.1中的双体喷注在描述SLD测量的B-碎片化函数方面表现出显著改进，该结果在Herwig 7.0中曾无法准确再现。
• 在7 TeV质子-质子对撞中t\bar{t}事例的喷注多重性分布，采用新的μ_opt尺度后描述更优，尤其在双体喷注中，显著降低了因尺度选择带来的理论不确定性。
• 在8 TeV下，NLO多喷注合并样本（t\bar{t}(0,1,2)与t\bar{t}(0*,1*,2)）在高H_T区域对H_T分布的描述明显优于NLO匹配样本。
• Herwig 7.1中的角有序与双体喷注均能正确处理NLO匹配的顶夸克产生与衰变，动量守恒得到保持，且NLO修正应用一致。
• 在双体喷注中实现Powheg衰变校正，使得顶夸克衰变中首次发射的描述达到NLO精度，显著提升了顶夸克衰变链模拟的精度。