[論文レビュー] HERA and the LHC - A workshop on the implications of HERA for LHC physics: Proceedings - Part B

S. Alekhin, Guido Altarelli+192 more|ArXiv.org|Jan 2, 2006

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 57

ひとこと要約

本論文は、HERAの電子陽子衝突データと大型ハドロン衝突型加速器（LHC）の物理学プログラムを結びつける2004年のワークショップの成果を提示している。QCDの高精度物理学を進めるために、一部子密度関数、重いクォーク生成モデル、微小散乱過程、およびモンテカルロツールの改良がなされた。これらはLHCのデータ解釈およびテルバスケールでの新物理探査に不可欠である。

ABSTRACT

The HERA electron--proton collider has collected 100 pb$^{-1}$ of data since its start-up in 1992, and recently moved into a high-luminosity operation mode, with upgraded detectors, aiming to increase the total integrated luminosity per experiment to more than 500 pb$^{-1}$. HERA has been a machine of excellence for the study of QCD and the structure of the proton. The Large Hadron Collider (LHC), which will collide protons with a centre-of-mass energy of 14 TeV, will be completed at CERN in 2007. The main mission of the LHC is to discover and study the mechanisms of electroweak symmetry breaking, possibly via the discovery of the Higgs particle, and search for new physics in the TeV energy scale, such as supersymmetry or extra dimensions. Besides these goals, the LHC will also make a substantial number of precision measurements and will offer a new regime to study the strong force via perturbative QCD processes and diffraction. For the full LHC physics programme a good understanding of QCD phenomena and the structure function of the proton is essential. Therefore, in March 2004, a one-year-long workshop started to study the implications of HERA on LHC physics. This included proposing new measurements to be made at HERA, extracting the maximum information from the available data, and developing/improving the theoretical and experimental tools. This report summarizes the results achieved during this workshop.

研究の動機と目的

• HERAの高精度QCDデータをLHCの物理学プログラムと結びつけること、特に電弱対称性の破れおよび新物理探索に関して。
• LHCにおける高精度QCD測定に必要な理論的・実験的ツールの改善。
• HERAの100 pb⁻¹のデータから最大限の情報を抽出し、500 pb⁻¹を超える高インテンシティ運用に備えること。
• LHCへの応用を念頭に、一部子分布関数（PDFs）、重いクォーク生成モデル、および微小散乱過程の精緻化。
• LHCにおけるマルチジェット、エネルギー流れ、および重いフレーバー最終状態のシミュレーションに適したモンテカルロシミュレーションツールの開発および強化。

提案手法

• 一部子分布関数（PDFs）、特にグルーオンおよびクォーク密度の制約を抽出するために、HERAデータの体系的分析。
• charmおよびbeautyクォーク生成のモデル化に、次-leading-order（NLO）およびそれ以上の高次のQCD計算の適用。
• 高質量微小散乱およびジェットエネルギー流れを記述するための、改良された微小散乱PDFおよびモンテカルロジェネレータの開発。
• CTEQ-GlobalおよびMRST共同研究のフレームワークを用いた、グローバルなPDFフィッティングフレームワークへのHERAデータの統合。
• HERWIG、POWHEG、MC@NLOなどの高度なシミュレーションツールを用いて、LHCの最終状態に関連するマルチジェットおよびエネルギー流れプロセスのモデル化。
• 理論的予測とHERAの測定結果の照合を行い、LHC運用前にモデルの妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HERAのデータは、LHC物理学に応用するための一部子分布関数（PDFs）の精度をどのように向上させ得るか？
• RQ2 HERAによる重いクォーク生成（charmおよびbeauty）の測定は、QCDモデルおよびPDFsにどのような制約を課えるか？
• RQ3 HERAで測定された微小散乱過程は、LHCにおける微小散乱のモデル化にどのように寄与するか？
• RQ4 LHCにおけるマルチジェットおよびエネルギー流れ最終状態を正確にシミュレートするためには、モンテカルロツールにどのような改善が必要か？
• RQ5 HERAとLHCの連携は、テルバスケールでの新物理の発見可能性をどのように高めるか？

主な発見

• HERAのデータは、特に小x領域においてグルーオンおよびクォークの一部子分布関数を顕著に制約し、PDFの不確実性推定値の改善に寄与した。
• HERAによるcharmおよびbeautyクォーク生成の測定は、高エネルギー領域におけるQCD予測およびPDFの進化のテストに不可欠なベンチマークを提供した。
• HERAデータから抽出された改良された微小散乱PDFは、特に高質量微小散乱において、LHCにおける微小散乱プロセスのモデリングを向上させた。
• 本ワークショップを通じて、POWHEGおよびMC@NLOなどのモンテカルロツールの開発および精緻化がなされ、マルチジェットおよびエネルギー流れ最終状態のより正確なシミュレーションが可能になった。
• LHCにおける高精度QCD測定を支援する包括的な理論的・実験的ツールセットが確立され、理論的不確実性が低減された。
• HERAの結果がグローバルPDFフィットに統合されたことで、小xにおけるグルーオン密度の不確実性が低減し、これはLHCにおけるヒッグス粒子および新物理探索の主要な入力となった。