[論文レビュー] A Determination of the Charm Content of the Proton

Richard D. Ball, Valerio Bertone+7 more|arXiv (Cornell University)|May 20, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 98被引用数 25

ひとこと要約

この論文は、FONLLスキームを質量のある charm クォークに一般化することで、軽いクォークとグルーオンと同様に charm クォークのPDFを扱う、陽子のパートン分布関数（PDF）のグローバルフィットを提示する。その結果、Q ~ 1.5 GeV において陽子の運動量の約1%を占める、非摂動的で本質的な charm 成分が存在することが判明し、charm 質量の変化に対して安定しており、他のPDFにおける m_c 依存性が低減される。

ABSTRACT

We present an unbiased determination of the charm content of the proton, in which the charm parton distribution function (PDF) is parametrized on the same footing as the light quarks and the gluon in a global PDF analysis. This determination relies on the calculation of deep-inelastic structure functions in the FONLL scheme, generalized to account for massive charm-initiated contributions. In contrast to the usual situation in which the charm PDF is assumed to be generated perturbatively by pair radiation off gluons and light quarks, vanishing at a scale set by the value of the charm mass m_c, we find that the fitted charm PDF vanishes within uncertainties at a scale Q~1.5 GeV for all x ~0.1 and low scales does not vanish, but rather has an intrinsic component, very weakly scale dependent and almost independent of the value of m_c, carrying about 1% of the total momentum of the proton. The uncertainties in all other PDFs are only slightly increased by the inclusion of fitted charm, while the dependence of these PDFs on m_c is significantly reduced. When the EMC charm structure function dataset is included, it is well described by the fit, and PDF uncertainties in the fitted charm PDF are significantly reduced, though we verify that excluding the EMC data does not qualitatively modify any of our findings. The increased stability with respect to m_c persists at high scales and is the main implication of our results for LHC phenomenology. Fitting the charm PDF modifies the predictions for processes such as high p_T and large rapidity charm pair production and Z+c production, and thus we expect that future LHC data will further constrain the charm content of the proton.

研究の動機と目的

• 摂動的生成を仮定せずに、陽子のcharmコンテンツを特定すること。
• PDFが任意のcharmクォーク質量スケール m_c に依存するのを低減すること。
• 非摂動的charm成分を含めることで、LHCの素粒子物理学的予測におけるPDFフィットの安定性と信頼性を向上させること。
• EMCのcharm構造関数データセットがフィットされたcharm PDFおよびその不確実性に与える影響を評価すること。
• fitされたcharm PDFが、高運動量・大ラピディティ領域におけるcharm対およびZ+c生成の予測に与える影響を評価すること。

提案手法

• light quarks および gluons と同様に、charm PDF をパラメータ化するグローバルPDF解析を実施する。
• 質量のあるcharmを含む深エネルギーシンチレーション散乱の寄与を一般化したFONLLスキームを用いる。
• 低スケール Q ~ 1.5 GeV で、非摂動的成分を含む、自由パラメータとしてのcharm PDFをフィットする。
• フィットされたcharm PDFを制約し、不確実性を低減するために、EMCのcharm構造関数データセットを含める。
• EMCデータの有無を比較し、m_c の異なる値でフィットを実施することで、結果の安定性を評価する。
• LHCの素粒子物理学的予測に重要な高エネルギー過程における、フィットされたcharm PDFの影響を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 charm PDFが低スケールで消えると仮定しない場合、陽子の本質的charmコンテンツは何か？
• RQ2 非摂動的charm PDF成分を含めると、他のPDFの不確実性および m_c 依存性はどのように変化するか？
• RQ3 EMCのcharm構造関数データセットは、フィットされたcharm PDFをどの程度制約するか？
• RQ4 charmクォーク質量 m_c の変化に対して、結果はどの程度安定しているか？
• RQ5 charm PDFをフィットすることで、高pTおよび大ラピディティ領域におけるcharm対およびZ+c生成の予測はどのように変化するか？

主な発見

• フィットされたcharm PDFは、Q ~ 1.5 GeV で非ゼロの本質的成分を持ち、x ~ 0.1 において運動量分額が約1%である。
• この本質的charm成分はスケール依存性が弱く、charmクォーク質量 m_c にほぼ依存しない。
• charm PDFの導入により、他のPDFの不確実性はわずかに増加するが、m_c 依存性は顕著に低減される。
• EMCのcharm構造関数データセットはフィットによってよく再現され、charm PDFの不確実性を低減する。
• EMCデータを除いたフィットでも結果の定性的な性質は変わらず、本質的charm成分の堅牢性が確認される。
• 高スケールにおいてもPDFのm_c 依存性の安定性が保たれるため、信頼できるLHCの素粒子物理学的予測に不可欠である。