[論文レビュー] Constraining the Intrinsic Heavy Quark PDF via Direct Photon Production in Association with a Heavy Quark Jet

K. Kovařı́k, T. Stavreva|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、高運動量分率（x）における陽子の内部構造を解明するため、直接的光子生成と重味クォークジェットの関連生成を用いて、内部的charmクォークの部分子分布関数（PDF）を調べることを提案する。テバトロン、RHIC、LHCにおけるNLO予測を分析した結果、特に高光子横運動量において観測データと標準PDFモデルとの間に見られる乖離は、BHPSのような内部的charmモデルによって部分的に説明可能であることが示された。このモデルは高x領域でのcharm PDFを強化する。

ABSTRACT

We investigate a possible use of direct photon production in association with a heavy quark to test different models of intrinsic heavy quark parton distribution function (PDF) at the Tevatron, at the large hadron collider (LHC) and at RHIC.

研究の動機と目的

• テバトロンにおける直接的光子＋重味クォークジェット生成のNLO QCD予測と実験データとの間に観測された乖離が、内部的重味クォークPDFによって説明可能かどうかを調査すること。
• 特に高x領域において、内部的charmモデルへの感受性を直接的光子＋重味クォークジェット生成プロセスがどの程度持つかを評価すること。
• 中心エネルギーや運動量領域の違いに基づき、テバトロン、RHIC、LHCにおけるこのプロセスの探査能力を比較すること。
• BHPSモデルと、軽クォーク海分布に類似した内部的charmモデルが、光子の高横運動量領域でのデータ乖離をどの程度説明できるかを評価すること。
• グルーオンからの摂動的発展とは異なる、非放射的で内部的な寄与がcharm PDFに存在する可能性を検証するためのフレームワークを提供すること。

提案手法

• プロセス $gQ \to \gamma Q$ に対して、一次近似（LO）および次次近似（NLO）QCD計算を用いて、重味クォークジェットと関連する直接的光子生成をモデル化する。
• D0（テバトロン）、PHENIX（RHIC）、CMS（LHC）実験と整合する光子および重味クォークジェットの横運動量、ラピディティ、遮蔽条件などの運動量的カットを適用する。
• BHPSモデル（高xでcharm PDFを強化）と、軽クォーク海分布に比例する「海に類似した」モデルの2つのモデルを用いて、内部的charm寄与を含む・含まないNLO予測を比較する。
• 光子の横運動量（$p_T$）に関する微分断面積を分析し、内部的charm効果が最も顕著に現れる領域を同定する。
• 部分子の運動量分率 $x$ における運動量領域の違いを比較することで、コライダー間での感受性を評価する。RHICは $\sqrt{s}$ が小さいため、高x効果に最も感受しやすい。
• 特に高-$p_T$領域で標準NLO予測から逸脱するD0実験データをベンチマークとして用い、モデル予測の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンにおける直接的光子＋charmジェット生成のD0実験データとNLO QCD予測との間に観測された乖離は、PDF内の内部的charmによって説明可能か？
• RQ2 特にBHPSモデルと「海に類似した」モデルという2つの内部的charmモデルが、直接的光子＋重味クォークジェット生成の微分断面積にどのように影響を与えるか？
• RQ3 なぜ直接的光子＋重味クォークジェットプロセスは、高運動量分率（x）において内部的charmに特に感受しやすいのか？
• RQ4 コライダー（テバトロン、RHIC、LHC）間で内部的charmへの感受性はどのように変化するのか？また、中心エネルギーサイズ $\sqrt{s}$ はどのような役割を果たすか？
• RQ5 BHPSモデルによる内部的charmは、テバトロンで観測された高-$p_T$光子データの過剰分をどの程度説明できるか？

主な発見

• テバトロンにおけるD0実験のデータは、高光子横運動量（$p_T > 20$ GeV）において、標準NLO QCD予測から顕著に逸脱しており、内部的charm効果が期待される領域で顕著である。
• BHPSモデルにおける内部的charmは、高x領域でcharm PDFを強化し、高$ p_T $における直接的光子＋charmジェット生成断面積に顕著な増加をもたらす。
• BHPSモデルはD0データの過剰分を完全には説明できないが、部分的な説明を提供しており、charm PDFに非放射的・内部的成分が存在する可能性を示唆している。
• 直接的光子＋重味クォークジェットプロセスは、RHICにおいて内部的charmに最も感受しやすい。これは、$\sqrt{s}$ が小さいため、部分子分布関数の高x領域を効果的に探査できるからである。
• LHCにおいてもこのプロセスは内部的charmに感受し続けるが、$\sqrt{s}$ が大きいため、RHICに比べて高x効果に対する相対的感受性が低下する。
• 標準PDFを用いたNLO計算は、高$ p_T $光子データを説明できないため、グローバルPDFフィットにおいて追加の寄与（例えば内部的charm）を考慮する必要があることが示唆される。