[論文レビュー] Impact of and constraints on PDFs at LHC

A. M. Cooper-Sarkar|ArXiv.org|Jul 11, 2007

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、LHCにおける精度測定および新物理の発見可能性がパートン分布関数（PDF）の不確実性によってどの程度制限されるかを調査している。特にW/Zボソン生成および高エネルギーのトランスバース運動量を持つジェット断面積について、LHCジェットデータのシミュレーションを用いて、3%未塔の系統的誤差を持つ高精度ジェット測定が、小x領域におけるグルーオンPDFの不確実性を顕著に低減できることを示している。これにより、接触相互作用や追加次元といった新物理の制約が強化される。

ABSTRACT

Uncertainties on parton distribution functions (PDFs) compromise discovery at the LHC for any new physics which can be described as a contact-interaction. PDF uncertainties also limit our ability to use W and Z cross-sections as an accurate luminosity monitor. The impact of the current level of PDF uncertainty on LHC physics is reviewed and the possibility of reducing this uncertainty using LHC data is investigated.

研究の動機と目的

• PDFの不確実性がLHCにおけるW/Zボソン断面積測定に与える影響を評価し、それらがラティチュード補正用の標準キャンドルとしての利用可能性を検討すること。
• 現在のPDFセットが、海クォークとグルーオンが支配する低x領域においてW/Z生成を記述する上で抱える限界を評価すること。
• LHCジェットデータが、特に小xにおけるグルーオンPDFをより厳密に制約できるかどうかを調査すること。
• PDF不確実性を有意義に低減するために必要な実験的精度（系統的誤差）を特定すること、特にジェットエネルギー測定における誤差を対象とする。
• PDF不確実性の低減が、接触相互作用やZ′ボソンといった新物理の発見可能性に与える影響を検討すること。

提案手法

• HERWIGとk要因を用いたモンテカルロシミュレーションにより、複数のPDFセット（MRST01, CTEQ6.1, ZEUS-S）を用いて、W→lνおよびZ→ll崩壊の生成子レベルおよび検出器レベルでのレプトンスペクトルを生成する。
• ATLAS検出器の実際のシミュレーション（ATLFAST）を適用し、標準的な選別条件を適用する：|η| < 2.4、p_T > 25 GeV、E_T^miss > 25 GeV、p_T > 30 GeVのジェットが存在しないこと、およびp_T^recoil < 20 GeVであること。
• 異なるPDFセット間でのレプトンラピディティスペクトルおよび非対称性（A_e, A_W）の予測を比較し、個々のPDF不確実性推定値を上回る乖離を定量化する。
• グリッドベースのNLOジェット断面積計算（NLOJET）を用いて高エネルギーのジェット生成をモデル化し、ATLASからの擬似データをZEUS-JETS PDFフィットに組み込む。
• ATLASジェット擬似データにさまざまな系統的誤差（10%、3%非相関；3%、1%相関するジェットエネルギースケール）を設定し、PDF不確実性低減への影響を評価する。
• W/Z生成の不確実性とグルーオンPDF（特に小x領域）との相関関係を分析し、W/Z比や非対称性がPDFのプローブとしての可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のPDF不確実性は、LHCにおけるWおよびZボソン断面積測定の精度にどの程度影響を及ぼし、それらがラティチュード補正用の標準キャンドルとして利用可能であるか？
• RQ2 異なるPDFセット間の乖離が、個々の不確実性推定値を大きく上回る程度はどの程度であり、PDFの信頼性にどのような含意をもたらすか？
• RQ3 LHCジェットデータ、特に高トランスバース運動量および中央ラピディティ領域のデータが、小xにおけるグルーオンPDFの不確実性を低減できるか？
• RQ4 PDF不確実性の有意義な低減を達成するためには、特にジェットエネルギースケールにおいてどの程度の系統的誤差が要るか？
• RQ5 PDF不確実性が、接触相互作用やZ′ボソンといった新物理の発見可能性に与える影響は何か？また、改善されたPDF制約が感度を向上させ得るか？

主な発見

• 現代のPDFセット（例：CTEQ6.1対MRST01）間でのW/Z断面積予測のばらつきは、個々のPDF不確実性推定値を大きく上回っており、W断面積では約8%、中央ラピディティにおけるレプトン非対称性では約13%に達する。
• W/Z生成におけるPDF不確実性は、小x領域でグルーオンPDFに支配されており、W+ / W−比の不確実性は主にx ~ 0.005におけるバリオンクォーク分布（u_v, d_v）に起因する。
• ATLASジェット擬似データにおける非相関的系統的誤差が3%の場合、ZEUS-JETSに比べてPDF不確実性が顕著に低減されるが、3%の相関的ジェットエネルギースケール誤差ではこの改善効果が相殺される。
• LHCジェットデータがPDF不確実性を意味的に低減させるには、ジェットエネルギースケールの不確実性が1%以下である必要があり、系統的制御の重要性が顕著に示された。
• LHCでたった6時間の運転でも、MRST03とCTEQ6.1のPDF間のレプトンラピディティスペクトルの差が検出可能になることが示され、小x領域におけるPDF構造への高い感度が裏付けられた。
• LHCジェットデータによるPDF不確実性の低減により、追加次元におけるコンパクト化スケールの探索可能範囲が6 TeVから2 TeVに向上することが示され、BSM物理学におけるPDF制約の重要性が明確になった。