[論文レビュー] Charm production in the forward region: constraints on the small-x gluon and backgrounds for neutrino astronomy

R. Gauld, Juan Rojo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、7 TeVでのLHCbデータと照合された次-leading-order (NLO) レーコビンQCD予測を、前方のcharmおよびbottomクォーク生成に対して提示する。これらのデータを用いて、小x領域のグルーオンPDFを制約し、その不確実性を顕著に低減し、13 TeV LHCb測定や13/7 TeV断面積比の予測を改善することで、ニュートリノ天文学におけるcharm誘発ニュートリノ背景のより信頼性の高い推定が可能になる。

ABSTRACT

The recent observation by the IceCube experiment of cosmic neutrinos at energies up to a few PeV heralds the beginning of neutrino astronomy. At such high energies, the conventional neutrino flux is suppressed and the prompt component from charm meson decays is expected to become the dominant background to astrophysical neutrinos. Charm production at high energies is however theoretically uncertain, both since the charm mass is at the boundary of applicability of perturbative QCD, and also because the calculations are sensitive to the poorly-known gluon PDF at small-x. In this work we provide detailed perturbative QCD predictions for charm and bottom production in the forward region, and validate them by comparing with recent data from the LHCb experiment at 7 TeV. Finding good agreement between data and theory, we use the LHCb measurements to constrain the small-x gluon PDF, achieving a substantial reduction in its uncertainties. Using these improved PDFs, we provide predictions for charm and bottom production at LHCb at 13 TeV, as well as for the ratio of cross-sections between 13 and 7 TeV. The same calculations are used to compute the energy distribution of neutrinos from charm decays in pA collisions, a key ingredient towards achieving a theoretically robust estimate of charm-induced backgrounds at neutrino telescopes.

研究の動機と目的

• ニュートリノ天文学におけるプロンプトニュートリノフラックス予測の理論的不確実性を低減するため、小x領域グルーオンPDFの制約を改善すること。
• 7 TeVでの高精度LHCbデータと照合して、前方重クォーク生成の摂動的QCD計算を検証すること。
• データ駆動のPDF制約に基づいて、13 TeV LHCbにおけるcharmおよびbottomクォーク生成の信頼できる予測を提供すること。
• pA衝突におけるcharm崩壊からのニュートリノエネルギースペクトルを計算し、ニュートリノ望遠鏡におけるプロンプト背景推定の主要な入力とする。
• 13 TeVと7 TeVの断面積比を定量化し、将来的な測定が小x領域グルーオンダイナミクスにどれほど感度を持つのかを評価すること。

提案手法

• FONLLおよびMadGraph5_aMC@NLO/POWHEG+Pythia8フレームワークを用いて、前方charmおよびbottom生成のNLO QCD断面積を計算する。
• 入力としてNNPDF3.0 NLO PDFセットを用い、妥当性を確認するためMMHT14およびCT10 PDFセットでも検証を行う。
• 理論的予測を7 TeVでのLHCb前方charmおよびbottom生成データと照合し、計算の妥当性を検証する。
• 理論的予測とLHCbデータの間の$χ^2$を最小化することで、小x領域グルーオンPDFをグローバルフィットで制約する。
• 制約付きPDFを用いて、同じNLOフレームワークで13 TeV断面積および13/7 TeV比を予測する。
• 同じ制約付きPDFおよびNLO QCD予測を用いて、pA衝突におけるcharm崩壊からのニュートリノエネルギースペクトルを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7 TeVでのLHCb前方charmおよびbottom生成データは、小x領域グルーオンPDFをどの程度制約するか？
• RQ2 前方重クォーク生成のNLO QCD予測はLHCbデータとどの程度一致するか？ これにより理論的信頼性にどのような示唆があるか？
• RQ3 13 TeV LHCbにおけるcharmおよびbottom生成の断面積は予測されるか？ 7 TeVと比べてどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 制約付き小x領域グルーオンPDFを組み込むと、pA衝突におけるcharm崩壊からのプロンプトニュートリノフラックスの予測にどのような影響を与えるか？
• RQ5 前方charmおよびbottom生成の13 TeVと7 TeVの断面積比は予想されるか？ また、PDFの不確実性にどの程度感度があるか？

主な発見

• 前方charmおよびbottom生成のNLO QCD予測は、LHCb 7 TeVデータと良好に一致しており、理論的枠組みの妥当性が裏付けられる。
• LHCbデータにより小x領域グルーオンPDFが制約され、$x \sim 10^{-5}$領域では不確実性が最大で2倍まで低減される。
• 13 TeVでの$D^0$および$B^0$メソン生成断面積の予測は7 TeVと比較して顕著に増加し、高$p_T$領域では$R_{13/7}^{D^0}$および$R_{13/7}^{B^0}$がそれぞれ最大2.6および4.8に達する。
• $p_T \sim 20-30$ GeV範囲における二重微分断面積比$R_{13/7}^{B^0}$は$\sim 4.8$に達し、小xダイナミクスに強く感度を持つことが示唆される。
• 制約付きPDFを用いることで、pA衝突におけるcharm崩壊からのプロンプトニュートリノフラックスの予測がより信頼性が高まり、理論的不確実性が低減される。
• 結果は、LHCにおける前方重クォーク生成が、小x領域グルーオンダイナミクスを直接探る強力なプローブであることを示している。