[论文解读] Universality in W+Multijet Production

Zvi Bern, Lance J. Dixon+6 more|arXiv (Cornell University)|Jul 24, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的方法，利用NLO QCD计算和喷流产生比率，预测大型强子对撞机（LHC）上W+6-喷流过程的总截面和横截面喷流能量分布（$H_{\rm T}^{\rm jets}$）。通过将$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布的比率拟合到包含对数和相空间抑制因子的函数形式，作者以高精度外推至$n=6$，并经由$n \leq 5$的直接计算验证。该方法可实现高效、可重用的$n$-元组数据，未来分析中几乎无需重新计算。

ABSTRACT

We study $W$-boson production accompanied by multiple jets at 7 TeV at the LHC. We study the jet-production ratio, of total cross sections for $W$+$n$- to $W$+($n-1$)-jet production, and the ratio of distributions in the total transverse hadronic jet energy $H_{ m T}^{ m jets}$. We use the ratios to extrapolate the total cross section, and the differential distribution in $H_{ m T}^{ m jets}$, to $W$+6-jet production. We use the BlackHat software library in conjunction with SHERPA to perform the computations.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，用于预测大型强子对撞机（LHC）上高多重性$W$+喷流产生过程的截面和分布，特别是$W+6$喷流。
• 通过$n$-元组存储重用矩阵元，避免重复完整计算，从而降低计算成本，实现跨不同尺度和PDF的重用。
• 识别$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布中$n$-喷流末态之间的普遍模式，以实现向更高喷流多重性的外推。
• 提供可重用、可分发的$n$-元组数据集，供实验验证和进一步分析，几乎无需重新处理。

提出的方法

• 作者使用BlackHat软件库进行计算，并利用SHERPA进行相空间积分和减法，计算了$W^{-}+n$-喷流产生在$n=5$以内的NLO截面和$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布。
• 他们将矩阵元系数和相空间构型存储在按类型（Born、虚拟、真实、减法）分离的ROOT $n$-元组文件中，实现跨不同尺度、PDF和运动学选择的重用。
• 该方法依赖于将连续喷流多重性之间$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布的比率拟合到如下函数形式：$\frac{d\sigma^{W+n}}{dH_{\rm T}^{\rm jets}} \propto \ln^{\tau_n}\!\rho_n (1 - H_{\rm T}^{\rm jets}/H_{\rm T}^{\rm max})^{\gamma_n}$，其中$\rho_n = H_{\rm T}^{\rm jets}/(n p_{\rm T}^{\rm min})$。
• 从$n=3$到$n=5$提取拟合参数$\tau_n$和$\gamma_n$，并外推至$n=6$，以预测$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布。
• 通过基于比率的外推方法，将拟合得到的总截面与已知的$W+6$-喷流截面匹配，确定归一化$N_n$。
• 对$W+6$喷流的预测$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布与$n \leq 5$的直接NLO计算结果进行对比，显示极佳的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过较低$n$的分布比率，准确外推$W+n$-喷流产生中$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布至$n=6$？
• RQ2 在$H_{\rm T}^{\rm jets}$比率中是否存在普遍的函数形式，使得无需完整重新计算即可可靠预测高多重性$W$+喷流过程？
• RQ3 在不同尺度和PDF下，$n$-元组数据结构在实现高效、可重用和可分发的NLO计算方面能发挥多大作用？
• RQ4 函数形式$\ln^{\tau_n}\!\rho_n (1 - H_{\rm T}^{\rm jets}/H_{\rm T}^{\rm max})^{\gamma_n}$在$n=3$到$n=5$之间对$H_{\rm T}^{\rm jets}$比率的描述有多准确？
• RQ5 能否仅使用$n=3$至$n=5$的结果和基于比率的拟合，高精度预测$W+6$-喷流产生的总截面？

主要发现

• 成功利用从$n=3$到$n=5$喷流的$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布比率拟合，预测了$W+6$-喷流产生的$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布。
• 函数形式$\frac{d\sigma^{W+n}}{dH_{\rm T}^{\rm jets}} \propto \ln^{\tau_n}\!\rho_n (1 - H_{\rm T}^{\rm jets}/H_{\rm T}^{\rm max})^{\gamma_n}$对比率提供了极佳的拟合，且$\tau_n$和$\gamma_n$在$n=3$至$n=5$间呈现线性趋势，支持外推。
• 预测的$W+6$喷流$H_{\rm T}^{\rm jets}$分布与$n \leq 5$的直接NLO计算结果高度一致，验证了外推方法的有效性。
• 通过相同的基于比率的方法，高精度预测了$W+6$-喷流产生的总截面，其与拟合外推值一致。
• $n$-元组数据结构实现了高效、可扩展且可重用的NLO计算，显著降低计算成本，并使实验人员能够以极低的重新处理开销执行自定义分析。
• 该方法展示了$W$+多喷流产生过程的普适性，表明可通过一致的函数形式，从低多重性结果预测高多重性过程。