Implementation of Next-to-Leading Order QCD Corrections for Hard Decays in the Sherpa Event Generator
Description
Monte Carlo event generators play a central role in particle collider data analysis by providing accurate theoretical predictions of complex scattering processes. Within SHERPA [1], the decays of heavy resonances are simulated using the hard decay framework. Up to now, they have only been calculated at leading order (LO). In this work, the next-to-leading order (NLO) quantum chromodynamics (QCD) calculation for the decay of a Higgs boson into a bottom-antibottom quark pair is implemented within the hard decay framework. The computation includes the evaluation of virtual loop corrections, real-emission contributions, and the cancellation of infrared (IR) singularities using subtraction terms. The individual components of the calculation were validated through comparisons with results from one of SHERPA’s matrix element generators COMIX [2]. While the real-emission contributions and their subtraction terms are implemented consistently, discrepancies remain in the virtual correction and corresponding subtraction term, and therefore require further investigation. Nevertheless, first physical results were obtained by substituting these contributions with reference values from COMIX. The analysis shows that the inclusion of NLO corrections reduces the partial decay width of 𝐻 → 𝑏 ¯ 𝑏 compared to the LO prediction, improving the agreement with reference values from the literature [3]. In addition, several distributions of relevant observables were studied, comparing LO and NLO predictions.
Abstract (German)
Monte-Carlo-Eventgeneratoren spielen eine zentrale Rolle bei der Datenanalyse von Teilchenbeschleunigern, indem sie genaue theoretische Vorhersagen komplexer Streuprozesse liefern. Innerhalb von SHERPA [1] werden Zerfälle von harten Resonanzen vom Hard Decay Framework simuliert. Diese werden bisher nur auf LO berechnet. In dieser Arbeit wird die Berechnung der QCD NLO für den Zerfall eines Higgs-Bosons in ein Bottom-Antibottom-Quark-Paar innerhalb des Hard Decay Modules implementiert. Die Berechnung umfasst die Auswertung virtueller Schleifenkorrekturen, Beiträge der Realemission und die Aufhebung von IR-Singularitäten mithilfe von Sub-traktionstermen. Die einzelnen Komponenten der Berechnung wurden durch Vergleiche mit den Ergebnissen eines der Matrixelementgeneratoren von SHERPA, COMIX [2], validiert. Während die Beiträge der realen Emissionen und die Subtraktionsterme konsistent implementiert sind, bestehen weiterhin Diskrepanzen bei der virtuellen Korrektur und dem entsprechenden Subtraktionsterm, die daher einer weiteren Überprüfung bedürfen. Dennoch konnten erste physikalische Ergebnisse erzielt werden, indem diese Beiträge durch Referenzwerte von COMIX ersetzt wurden. Die Analyse zeigt, dass die Einbeziehung von NLO-Korrekturen die partielle Zerfallsbreite von 𝐻 → 𝑏¯𝑏 im Vergleich zur LO Vorhersage verringert, was zu einer besseren Übereinstimmung mit den Referenzwerten aus der Literatur [3] führt. Darüber hinaus wurden mehrere Verteilungen relevanter Observablen untersucht und LO- und NLO-Vorhersagen
verglichen.
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