[论文解读] Top Quark Theoretical Cross Sections and pT and Rapidity Distributions

Nikolaos Kidonakis|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 12

一句话总结

本文利用来自下一次近似对数（NNLL）胶胶子发射的软胶胶子重求和导出的近似下一次近似对数（NNLO）修正，对 Tevatron 和 LHC 上顶夸克对及单顶夸克的产生截面进行了理论预测。结果表明，与下一阶（NLO）预测相比，截面显著增强——单顶通道最高达15%——并降低了理论不确定性，使理论结果在所有对撞能量和产生模式下均与 CDF、D0、ATLAS 和 CMS 的实验数据高度一致。

ABSTRACT

I present theoretical results for the top quark pair total cross section, and for the top quark transverse momentum and rapidity distributions at Tevatron and LHC energies. I also present results for single top quark production in the t- and s-channels and also via associated production with a W boson. The calculations include approximate NNLO corrections that are derived from NNLL soft-gluon resummation.

研究动机与目标

• 通过包含更高阶量子色动力学（QCD）修正，改进强子对撞机上顶夸克对及单顶夸克产生截面的理论预测。
• 通过应用源自 NNLL 软胶胶子重求和的近似 NNLO 修正，降低顶夸克截面的理论不确定性。
• 将理论预测与 Tevatron 和 LHC 能量下 CDF、D0、ATLAS 和 CMS 的实验测量结果进行比较。
• 分析软胶胶子修正对横动量和快度等微分分布的影响。
• 评估软胶胶子重求和在提高顶夸克前后不对称性理论预测精度方面的作用。

提出的方法

• 通过展开 NNLL 重求和的软胶胶子修正，推导出顶夸克对及单顶夸克产生过程的近似 NNLO 截面。
• 采用单粒子初态（1PI）动力学，聚焦于部分子阈值区域，此时软胶胶子修正占主导地位。
• 利用二圈软异常维数矩阵实现重求和的 NNLL 精度，从而获得可靠的近似 NNLO 结果。
• 将精确的 NLO 截面与近似的 NNLO 修正相结合，生成改进的总截面与微分截面。
• 通过尺度变化（因子化与重整化尺度）及部分子分布函数（MSTW2008）不确定性（90% 置信水平）评估理论不确定性。
• 在 Tevatron 和 LHC 能量下，对截面、$p_T$ 与快度分布及前后不对称性进行了数值研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 来自软胶胶子重求和的近似 NNLO 修正如何影响 Tevatron 和 LHC 上的总顶夸克对产生截面？
• RQ2 软胶胶子修正在多大程度上降低了顶夸克截面的理论不确定性，特别是对尺度依赖性的抑制？
• RQ3 当引入 NNLO 修正后，顶夸克的横动量与快度分布如何变化？
• RQ4 为何理论预测的顶夸克前后不对称性在 Tevatron 上显著低于实验观测值？
• RQ5 NNLO 修正对 LHC 上 $t$-、$s$-通道单顶夸克产生及关联 $tW^{-}$ 产生过程有何影响？

主要发现

• 在 LHC（14 TeV）上，$t\bar{t}$ 产生的近似 NNLO 截面为 $92^{+2}_{-1}{}^{+2}_{-3}$ pb（$m_t = 173$ GeV），相比 NLO 结果提高了 7.8%。
• 在 Tevatron（1.96 TeV）上，$t\bar{t}$ 截面为 $7.08{}^{+0.00}_{-0.24}{}^{+0.36}_{-0.27}$ pb，与 CDF 和 D0 实验数据相比，NLO 预测的符合度得到改善。
• 在 LHC（14 TeV）上，$t$-通道单顶夸克截面为 $92{}^{+2}_{-1}{}^{+2}_{-3}$ pb，NNLO 修正使 NLO 结果增加约 13%。
• 在 LHC（14 TeV）上，$s$-通道单顶夸克截面为 $7.93\pm0.14{}^{+0.31}_{-0.28}$ pb，由于 NNLO 修正，相比 NLO 提高了 13%。
• 在 LHC（14 TeV）上，关联 $tW^{-}$ 产生截面为 $41.8\pm1.0{}^{+1.5}_{-2.4}$ pb，NNLO 修正使结果增加约 8%。
• 对 $p_T$ 与快度分布的理论预测表明，NNLO 修正增强了截面并降低了尺度依赖性，但对分布形状影响不大。