[論文レビュー] Gluon PDF constraints from the ratio of forward heavy quark production at the LHC at \sqrt{S}=7 and 13 TeV

Matteo Cacciari, Michelangelo L. Mangano+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用数 36

ひとこと要約

本論文では、LHCエネルギーにおける7 TeVおよび13 TeVでのフォワード重クォーク生成率の比を用いて、グルーオン部分子分布関数（PDF）を制約する手法を提案する。理論的不確実性を顕著に低減する。部分的運動量分率のエネルギー依存性を利用することで、スケールおよび質量の不確実性が抑制され、理論的精度数パーセントの範囲で、小xおよび大x領域におけるグルーオンPDFの高精度な制約が可能になる。

ABSTRACT

We discuss production of charm and bottom quarks at forward rapidity in pp collisions at the LHC, updating the QCD predictions for the run at \sqrt{S}=13 TeV. We show that, while the absolute rates suffer from large theoretical systematics, dominated by scale uncertainties, the increase relative to the rates precisely measured at 7 TeV can be predicted with an accuracy of a few percent, sufficient to highlight the sensitivity to the gluon distribution function.

研究の動機と目的

• 高エネルギーLHC走行における絶対的重クォーク断面積予測の大きな理論的不確実性（特にスケールおよび質量依存性）を解消すること。
• 絶対的生成率が理論的系縁性に支配され、高精度なPDF制約に不適切であるという制限を克服すること。
• √s = 7 TeVおよび13 TeVにおけるフォワード重クォーク（charmおよびbottom）生成率の比を活用し、スケールおよび質量の変動に対する感受性を低減すること。
• LHCbおよびALICE実験の運動量分布を用いて、小xおよび大x領域におけるグルーオンPDFの高精度な制約を可能にすること。
• 既存の7 TeVデータを用いて13 TeVの生成率を高精度で予測し、グルーオンダイナミクスへの感受性が向上した将来のPDFフィットを促進すること。

提案手法

• FONLL（固定順数＋対数的再結合）計算を用いて、√s = 13 TeVにおけるpp衝突におけるcharmおよびbottomクォーク生成の包含的微分断面積を計算する。
• 固定された運動量配置における微分断面積比（例：13 TeVにおけるdσ/dη / 7 TeVにおけるdσ/dη）を構築し、スケールおよび質量の不確実性を相殺する。
• 固定されたラピディティにおいて、部分的運動量分率xがx ∝ pT / √sとスケーリングすることに着目し、同じ最終状態の運動量構成が異なる中心系エネルギーで異なるx領域をプローブすることを活用する。
• 7 TeVおよび13 TeVにおけるPDFセットを相関させ、x依存のグルーオン分布関数への一貫した進化と感受性を保証する。
• 断面積比を用いてグルーオンPDFへの感受性を分離し、比が反比例スケールおよび因子化スケールの変動に対してほとんど感受性を持たないことを活用する。
• 既存の7 TeVデータとの照合を実施し、13 TeV測定の期待される精度を予測する。特にフォワードラピディティ領域（|y| > 4）に注目する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 7 TeVおよび13 TeVにおけるフォワード重クォーク生成率の比は、QCD予測における理論的不確実性を5%未満に低減できるか？
• RQ2 このような比は、小x（x < 10⁻⁵）および大x（x > 0.2）領域におけるグルーオンPDFをどの程度まで制約できるか？
• RQ3 部分的運動量分率のエネルギー依存性（x ∝ pT / √s）は、断面積比がPDF変動に対してどの程度感受性を持つかにどのように影響するか？
• RQ4 7 TeVデータを用いた断面積比による13 TeV重クォーク生成率の理論的精度はどの程度か？
• RQ5 絶対的生成率の不確実性が大きいにもかかわらず、比法はLHCbおよびALICEデータからのグルーオンPDFの高精度抽出を可能にするか？

主な発見

• 13 TeVにおけるフォワード重クォーク生成断面積比（7 TeV比）は、理論的不確実性が5%未満で予測可能であり、主にPDFの変動に制限される。
• 断面積比のスケール依存性は、絶対的断面積と比較して50%以上抑制され、charmでは約100%（絶対値）から、bottomでは約50%（絶対値）から数パーセントのレベルに低下する。
• 本手法は、データカバレッジが乏しい小x（x < 10⁻⁵）および大x（x > 0.2）領域におけるグルーオンPDFへの感受性を提供する。
• 13 TeVにおいて、B⁺生成（pT > 0）のdσ/dη比は、η = 0では約1.65から、η = 6.00では約3.12に増加し、強いエネルギーおよびラピディティ依存性を示す。
• 重クォーク質量およびフラグメンテーション関数の変動に対して比が頑健であり、比の中で相殺されるため、系縁性は無視できるほどに低下する。
• 本手法により、既存の7 TeVデータと将来の13 TeV測定を組み合わせてグルーオンPDFの高精度なテストが可能となり、グローバルPDFフィットの向上に有効な道筋を提供する。