[論文レビュー] A direct probe of the intrinsic charm content of the proton

T. Boettcher, P. Ilten+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、LHCb実験におけるLHCの2期目と3期目の前方領域での$Z$ボソンと charm ジェット（$Zc$）の生成を精密測定することで、陽子内の真性 charm（IC）を直接的にプローブする手法を提案している。NLO計算とシミュレーションを用いて、LHCbが$valence$-like ICを$\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 0.3\%$、$sea$-like ICを$\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 1\%$で検出可能であることを示しており、非摂動的charm成分とそのヒッグス粒子生成への影響を感受性の高い方法で検証可能である。

ABSTRACT

Measurement of $Z$ bosons produced in association with charm jets $(Zc)$ in proton-proton collisions in the forward region provides a direct probe of a potential non-perturbative (intrinsic) charm component in the proton wave function. We provide a detailed study of the potential to measure $Zc$ production at the LHCb experiment in Runs 2 and 3 of the LHC. The sensitivity to valence-like (sea-like) intrinsic charm is predicted to be $\langle x angle_{ m IC} \gtrsim 0.3\%(1\%)$. The impact of intrinsic charm on Higgs production at the LHC, including $Hc$, is also discussed in detail.

研究の動機と目的

• 高精度な$Zc$生成測定を用いて、陽子波動関数内の非摂動的真性 charm（IC）を直接実験的にプローブすること。
• LHC2期と3期におけるLHCb実験の感度を、大きな運動量分率（$x$）における$valence$-likeおよび$sea$-like IC成分に対して評価すること。
• ICがヒッグス粒子生成断面積、特に$Hc$生成に与える影響を定量化し、charm ヤウコフ係数を制約すること。
• ICの発見とは独立して、低$Q$におけるDISから電弱スケールへのcharm クォークのDGLAP進化をテストすること。
• 電荷非対称性測定を用いて、$Wc$生成に応用することで、大$-x$における strange クォークPDFをプローブすること。

提案手法

• $pp$衝突における$Zc$生成をモデル化するため、CT14 NNLO PDFセットとPowhegBox行列要素を用いた次-leading order（NLO）計算を実施する。
• 理論的堅牢性を確認するため、aMC@NLOおよび異なるシャワリング手法（PowhegとFxFx）を用いたチェックを実施する。
• Pythiaを用いて部分子シャワリング、ハドロン化、およびEvtGenによる崩壊をシミュレートし、Photosを用いてQED放射を考慮する。
• $Z \to \mu\mu$崩壊チャンネルに注目し、$60 < m(\mu\mu) < 120\,\text{GeV}$のエネルギー領域を選択することで、バックグラウンドを低減し、信号純度を向上させる。
• 実験的および理論的不確実性を低減するための主要観測量として、比$Z^{c}_{j} \equiv \sigma(Zc)/\sigma(Zj)$を定義する。
• 大$-x$のcharm クォークに最も感度が高くなるように、前方領域（$|\eta| > 2$）に注目し、LHCbの優れた前方追跡性能と$c$-ジェット識別能力を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbの前方領域における$Zc$生成は、陽子内の真性 charm を直接的かつ感受性の高い方法でプローブできるか？
• RQ2 LHC2期と3期において、LHCbが検出可能な真性 charm 成分の最小値（$\langle x\rangle_{\rm IC}$として表す）はどの程度か？
• RQ3 真性 charm はヒッグス粒子生成断面積、特に$Hc$生成にどのように影響を与えるか？
• RQ4 真性 charm は、低$Q$におけるDISから高$Q$スケールへのcharm クォークのDGLAP進化にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 LHCbにおける$Wc$生成は、電荷非対称性測定を用いて、大$-x$における strange クォークPDFをプローブできるか？

主な発見

• LHCbは、LHC2期と3期において、$\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 0.3\%$の$valence$-like 真性 charm に対して感度を発揮すると予測されている。
• $sea$-like 真性 charm に対する感度は、$\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 1\%$に達すると予想されている。
• 真性 charm が$Hc$生成に与える影響は、charm ヤウコフ係数が約25%増加した場合と同等であり、$Hc$生成はICの感受性の高いプローブである。
• SEA2 ICモデルにおいて、$Y_c = 0$のときの$\sigma(Hc)$は、$Y_c \approx 0.7\,Y_c^{\rm SM}$の非IC状態と一致するため、ICとヤウコフ係数の間には強い相関があることが示唆される。
• ICが存在しない場合でも、$Zc$測定は、低$Q$におけるDISから電弱スケールへのcharm クォークのDGLAP進化を、重要なテストとして提供する。
• $\sigma(Zc)$に比べ、$Z^{c}_{j}$比は実験的および理論的不確実性に対してより感受性が低いため、IC感度の観点から最適な観測量である。