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LHC実験での2光子生成の イベントジェネレータを用いての解析 渡辺則之、栗原良将、尾高茂(KEK) 日本物理学会秋季大会@京都産業大学, 2012.9.13

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LHC実験での2光子生成のイベントジェネレータを用いての解析

渡辺則之、栗原良将、尾高茂(KEK)

日本物理学会秋季大会@京都産業大学, 2012.9.13

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Motivation

コライダー実験では新粒子/現象を発見したいLOからの予測だけでは不十分

NLO,NNLOからのより精度の高い予測が必要

イベントジェネレータは必須Gr@ppa arXiv:1201.5702

GRACE

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Userinput

TheorymodelfileDiagram generator

amplitude generator

LibraryCHANEL, loop

Kinematics library

kinematics code

generated code

diagram description

convergence information

Make file etc.

symbolic codeREDUCE, Form etc.

PS file

Drawer

BASES(MC integral)

SPRING (EG manager)

parameter file

Diagrams

(figure)

EventsCross sections

distributions

TREELOOP

FORTRAN code

.fin .mdl .rin

Overview of GRACE system

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Userinput

TheorymodelfileDiagram generator

amplitude generator

LibraryCHANEL, loop

Kinematics library

kinematics code

generated code

diagram description

convergence information

Make file etc.

symbolic codeREDUCE, Form etc.

PS file

Drawer

BASES(MC integral)

SPRING (EG manager)

parameter file

Diagrams

(figure)

EventsCross sections

distributions

TREELOOP

FORTRAN code

.fin .mdl .rin

Overview of GRACE system%%%%%%%%%%%%%

Model="sm.mdl"Process;

ELWK={2,2}; QCD ={0,2};

Kinem="2201";-----------------------------

Initial={u, u-bar};------------------------------------- Final ={photon,photon};

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Userinput

TheorymodelfileDiagram generator

amplitude generator

LibraryCHANEL, loop

Kinematics library

kinematics code

generated code

diagram description

convergence information

Make file etc.

symbolic codeREDUCE, Form etc.

PS file

Drawer

BASES(MC integral)

SPRING (EG manager)

parameter file

Diagrams

(figure)

EventsCross sections

distributions

TREELOOP

FORTRAN code

.fin .mdl .rin

Overview of GRACE system

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Overview of event generator

p

p

i

j

fi(x1)

fj(x2)�ij

parton shower

hadronization

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Overview of event generator

p

p

i

j

fi(x1)

fj(x2)�ij

parton shower

hadronizationGrace

Gr@ppaInterface Interface(PYTHIA)

d�(pp� X) =�

ij

�dx1dx2fi(x1, µF )fj(x2, µF )d�(ij � X, x1, x2, µF )

i,j ->quark or gluon f : Parton Distribution Functions(PDF)

(x : fraction of momentum carried by parton )

:partonic cross section

: factorization scale.

�ij

µF

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作りたいものLHC実験では2光子過程はHiggs探索の

重要なチャンネルの一つである

正確なバックグラウンドの評価は重要

qqbar annilation Compton scattering Gluon Fusion

Fully exclusive 実験屋さんの好きなcut

SHERPADiphoxResbos

(exclusiveだけどloopなし)(loopありだけどinclusive)

Loop補正も入れたい

arXiv:0811.4622

arXiv:9911.340

arXiv:0704.0001

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Difficulties

精度のよいジェネレータを作るためには

高次摂動のpartonic cross section

非摂動まで含めた効果

たくさんのdiagramLoop ライブラリ

Soft/Collinear singularity

FragmentationParton shower

GRACE1-loop ◯ 2-loop ×

collinear approximation

尾高さんの話

Double counting LL-subtraction

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NLO Cross section

紫外発散はMS-barで繰り込み赤外発散はPDFとの畳み込みで消える

dimensional regularization d=4+2ε

�s �s

�NLO =��Tree + �virtual

�� PDF

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Matrix element:Tree

�(1, 2� 1, 2, · · · , n, n + 1)

�(1, 2� 1, 2, · · · , n)

Tree cross section:Born:Real radiation

�Born =

�Real =

�Real = �soft + �collinear + �hard(If massless particle)

21

Soft/Collinear correction (final color)

Two types of div.● Collinear div.● Soft div.

Lorentz inv./Process indep. ● Phase space slicing● Subtraction● Slicing/LLL-Subtraction

hybridsoft region

Q2c :hard scattering scale

, はGRACE�Born �hard

Phase spaceを分解

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Soft/Collinear corrections2pi · pg = 2EiEg(1� � cos �ig)

:Soft singularities :Collinear singularities(massless-> )Eg � 0

� = 1cos �ig = 1

Soft Part

dPS2+g � dPS2dPSg

|Areal1 (ij � 2 + g)|2 � Feik|A0|2

the eikonal factor contains the soft pole

d�soft = dPS2

softdPSgFelk|A0|2

Feik = ��sCF

�Q2c

µ2F

���Q2c

s

��� 1�2� �2

4

�Feik

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Soft/Collinear correctionsCollinear Part

p zp

(1-z)p

dPS2+g � dPS2(1� z)dPSg

|Areal1 (ij � 2 + g)|2 � Pii�(z)

(1� z)pi · pg|A0|2

DGLAP equation

d�Collinear = dPS2

colldPSg

Pii�

pi · pg|A0|2

A0(s)� A0(z · s)

logの近似では不十分non-logの効果まで入れる k2

�s

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Matrix element:LoopLoop cross section

�virtual = �(1, 2� 1, 2, · · · , n) :Virtual corrections

Effective vertex(3点関数まで)

=5�

i

ii� 1

Box,Pentagon

+ �D = 6� 2�

Bern-Dixon-Kosower(94)

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Infrared safety

発散はBornで分けられる

=�(�soft + �collinear)�Born + �hard + �virtual

��PDF

=��soft + �collinear + �hard + �virtual

��PDF

��NLO =��Real + �virtual

�� PDF

1�

�s

2�Pii�

1�,

1�2

are caneled

Q2cHardとSoft/Collinearを切り分ける 依存性

も消えている

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Results 今回はqq-bar->γγ+XのNLO(すぐにgr@ppaに実装)

赤外発散やQc,factorization scaleScheme dependenceはない

HARD SOF/COL/Vir sum

10^-4*√s’

10^-3*√s’

10^-2*√s’

10^-1*√s’

10^0*√s’

1200.1 -1145.2 54.9

788.9 -733.9 55.0

463.1 -408.0 55.1

223.5 -168.4 55.1

77.1 -22.2 54.9-1500

-1125

-750

-375

0

375

750

1125

1500

10^-4 10^-3 10^-2 10^-1 10^0

HARD(GRC) SOF/COL/Vir sum

E�min = 10GeV

10� < cos �� < 170��

s = 14TeV

Negative weight eventが少なくなるようなpointを探る

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Next step

N2LO,N3LOの効果を追加していくUnder development

Future

寄与が大きいかも?(qgが一番大きい)

最終的にはここまで

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Summary

精度のよいイベントを生成するためには Loopを含む計算は必要

精度の良い Soft/Collinear近似 ◯

qq-barプロセスは1-loopまで含めた(まもなく実装) qg/ggプロセスなどのloopも入れる必要あり 2-loopライブラリの構築 

TreeのBornやradiativeプロセス ◯