[論文レビュー] Combination of Measurements of Inclusive Deep Inelastic $e^{\pm}p$ Scattering Cross Sections and QCD Analysis of HERA Data

H, Zeus collaborations|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 40被引用数 137

ひとこと要約

本論文は、HERAにおけるH1およびZEUS実験の包括的深エネルギーゼロ散乱断面積のグローバルな組み合わせを提示し、系統的不確かさの相関を組み込む。組み合わせられたデータにより、次々次の高次のQCD解析が可能となり、HERAPDF2.0グローバルな一部子分布関数が得られ、αs(MZ) = 0.1183 ± 0.0009 (実験) ± 0.0005 (モデル) ± 0.0012 (ハドロン化) +0.0037/-0.0030 (スケール) の高精度な抽出が可能となった。

ABSTRACT

A combination is presented of all inclusive deep inelastic cross sections previously published by the H1 and ZEUS collaborations at HERA for neutral and charged current $e^{\pm}p$ scattering for zero beam polarisation. The data were taken at proton beam energies of 920, 820, 575 and 460 GeV and an electron beam energy of 27.5 GeV. The data correspond to an integrated luminosity of about 1 fb$^{-1}$ and span six orders of magnitude in negative four-momentum-transfer squared, $Q^2$, and Bjorken $x$. The correlations of the systematic uncertainties were evaluated and taken into account for the combination. The combined cross sections were input to QCD analyses at leading order, next-to-leading order and at next-to-next-to-leading order, providing a new set of parton distribution functions, called HERAPDF2.0. In addition to the experimental uncertainties, model and parameterisation uncertainties were assessed for these parton distribution functions. Variants of HERAPDF2.0 with an alternative gluon parameterisation, HERAPDF2.0AG, and using fixed-flavour-number schemes, HERAPDF2.0FF, are presented. The analysis was extended by including HERA data on charm and jet production, resulting in the variant HERAPDF2.0Jets. The inclusion of jet-production cross sections made a simultaneous determination of these parton distributions and the strong coupling constant possible, resulting in $α_s(M_Z)=0.1183 \pm 0.0009 { m(exp)} \pm 0.0005{ m (model/parameterisation)} \pm 0.0012{ m (hadronisation)} ^{+0.0037}_{-0.0030}{ m (scale)}$. An extraction of $xF_3^{γZ}$ and results on electroweak unification and scaling violations are also presented.

研究の動機と目的

• HERAにおけるH1およびZEUS実験の包括的深エネルギーゼロ散乱断面積を、Q²およびBjorken xの広い範囲にわたって組み合わせること。
• H1およびZEUSデータセット間の系統的不確かさの相関を考慮に入れ、組み合わせた断面積の精度を向上させること。
• LO、NLO、NNNLOのQCDグローバル解析を実施し、より高い精度で一部子分布関数（PDF）を決定すること。
• 抽出されたPDFにおけるモデルおよびパラメータ化の不確実性を評価すること。これには、代替のグルーオンおよび固定フレーバー番号スキームを含む。
• HERAのcharmおよびジェット生成データを含めることで、PDFと強い結合定数αs(MZ)を同時に決定する解析を拡張すること。

提案手法

• HERAにおけるH1およびZEUS実験のe⁺pおよびe⁻p散乱断面積を組み合わせ、陽子ビームエネルギーが920、820、575、460 GeVで、電子ビームエネルギーが27.5 GeVである。
• H1およびZEUS測定間の系統的不確かさの相関を評価し、組み合わせにおける誤差伝搬を一貫させるために組み込む。
• 組み合わせた断面積を用いてLO、NLO、NNNLOのQCDフィットを実施し、HERAPDF2.0を抽出する。
• 変種として、代替グルーオンパラメータ化を用いたHERAPDF2.0AGと、固定フレーバー番号スキームを用いたHERAPDF2.0FFを導入する。
• ジェットおよびcharm生成データを含めた解析を拡張し、PDFとαs(MZ)を同時に決定可能にする。
• グローバルフィッティングフレームワークを用いて、実験的、モデル/パラメータ化、ハドロン化、スケール変動からの分離された不確実性を伴うαs(MZ)の抽出を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H1およびZEUSのHERAにおける包括的深エネルギーゼロ散乱断面積を、系統的相関を考慮して最も高精度に組み合わせることは可能か？
• RQ2 組み合わせたHERAデータは、QCDの次々次の高次の理論でどのように一部子分布関数を制約するか？
• RQ3 ジェットおよびcharm生成データを含むグローバルフィットから抽出された強い結合定数αs(MZ)の精度はどの程度か？
• RQ4 モデルおよびパラメータ化の不確実性は、抽出された一部子分布関数の信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 スケーリング違反および電弱統一テストは、高運動量移動度における陽子構造をどの程度制約するか？

主な発見

• 組み合わせた断面積はQ²およびBjorken xで6桁のスケールをカバーし、統合された放射線強度は約1 fb⁻¹である。
• グローバルQCD解析により、包括的な不確実性推定を伴うNNNLOにおける新しい一部子分布関数セット、HERAPDF2.0が得られた。
• 強い結合定数はαs(MZ) = 0.1183 ± 0.0009 (実験) ± 0.0005 (モデル/パラメータ化) ± 0.0012 (ハドロン化) +0.0037/-0.0030 (スケール) として抽出された。
• 変種HERAPDF2.0Jetsはジェットおよびcharm生成データを含み、PDFとαs(MZ)の同時決定を可能にした。
• 解析により、xF₃^γZ 構造関数の高精度な抽出が可能となり、深エネルギーゼロ散乱におけるスケーリング違反のテストが実施された。
• 結果は、高エネルギー領域におけるQCDの妥当性を支持し、HERAエネルギー領域における電弱統一の制約を強く示唆した。