[論文レビュー] Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering & contact interactions at HERA

A. F. Żarnecki|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 2

ひとこと要約

本稿では、高精度なHERA ep散乱データを用いて、一部子分布関数（PDFs）と標準模型を超える（BSM）寄与を同時にフィットすることで、有効クォーク半径および接触相互作用（CI）スケールに対する改善された制約が得られる。解析により、有効クォーク半径の95%信頼水準上昇限界は0.43×10⁻¹⁶ cmであり、特定のCIモデルでは複合性スケールが10 TeVまで制限される。X1やAAのような特定のシナリオでは、データの記述が顕著に改善される。

ABSTRACT

The high-precision HERA data allow searches for up to TeV scales "Beyond the Standard Model" contributions to electron-quark scattering. Combined H1 and ZEUS measurements of inclusive deep inelastic cross sections in neutral and charged current ep scattering are considered, corresponding to a luminosity of around 1 fb$^{-1}$. A new approach to the beyond the Standard Model analysis of the inclusive $ep$ data is presented; simultaneous fits of parton distribution functions and contributions of "new physics" processes are performed. Considered are possible deviations from the Standard Model due to a finite radius of quarks, described within the quark form-factor model, and due to new electron-quark interactions in the framework of $eeqq$ contact interactions (CI). The resulting 95% C.L. upper limit on the effective quark radius is $0.43\cdot 10^{-16}$ cm. The limits on the CI mass scale extend up to 10 TeV depending on the CI scenario.

研究の動機と目的

• 電子クォーク散乱における標準模型を超える（BSM）物理の制約を向上させるために、PDFとBSM寄与を同時にフィットする。
• フォーム因子モデルを用いて有限なクォーク半径の仮説を検証し、その有効サイズの制限を抽出する。
• 接触相互作用（CI）が包含的ep散乱断面積に与える影響を評価し、エネルギースケールの制限を設定する。
• 認識されないBSM効果によるPDFのバイアスを避けるために、PDFとBSMパラメータを同時にフィットする。
• レプリカを用いた頻度主義的手法を用いて、BSMパラメータの堅牢な95%信頼水準の制限を導出する。

提案手法

• χ²最小化法を用いて、1.9 GeV²における14パラメータのPDFと、R²qまたはCI結合ηのBSMパラメータを同時にフィットする。
• χ²関数には統計的誤差、相関した系誤差、相関のない系誤差が含まれ、系誤差のシフト（sj）は自由パラメータとして扱う。
• モンテカルロレプリカは、誤差内での断面積の値を変動させることで生成され、ガウス分布と相関を仮定する。
• R²qまたはηの仮定された真の値に対して、レプリカをフィットし、実データから得られた値未満のフィットされたR²qまたはηを取る確率を求める。
• 95%信頼水準での制限は、正のR²qまたはηに対して、実データ値未満のフィット値が得られる確率が5%未満に下がる点に設定される。
• 分析には、約1 fb⁻¹の統計的データを含むH1およびZEUSの包含的断面積データを用い、DGLAP形式およびHERAPDF2.0フレームワーク内で解析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 HERA ep散乱データを前提とした場合、有効クォーク半径の95%信頼水準上昇限界は何か？
• RQ2 接触相互作用結合定数はHERAデータの記述にどのように影響を及ぼし、複合性スケールの制限はどのようなものか？
• RQ3 認識されないBSM寄与によるPDFフィットのバイアスはどの程度であり、同時にフィットすることでどのように軽減されるか？
• RQ4 VV、AA、VA、X1などの異なるCIシナリオは、標準模型に比べてデータをどの程度よく記述するか？
• RQ5 特にAAおよびX1モデルにおける断面積の観測されたずれの有意性は何か？

主な発見

• 有効クォーク半径の2乗の95%信頼水準上昇限界は(0.43×10⁻¹⁶ cm)²であり、下限は-(0.47×10⁻¹⁶ cm)²であり、ゼロの周りに対称的な制約であることが示された。
• AA接触相互作用モデルでは、最良のフィット結合定数に対応する複合性スケールは6.2 TeVであり、標準模型（SM）下でそれ以上のずれを観測する確率は0.7%であり、2.5σの有意性に相当する。
• AAシナリオでは、負の接触相互作用結合定数は95%信頼水準で除外され、許容される正の結合定数は4.8〜10.4 TeVの複合性スケールに対応する。
• X1モデルはフィット品質の向上が最大であり、∆χ²/d.o.f.は-0.005であり、SMがこのような結果を生じる確率は0.3%にとどまり、顕著なずれを示している。
• 標準模型は、e⁻pの高Q²領域では中性荷電-current DIS断面積を低く見積もっており、e⁺pではわずかに高めに見積もっていることから、これらの領域にBSM効果が存在する可能性が示唆される。
• PDFとBSMパラメータを同時にフィットすることが不可欠であり、PDFを固定すると制限が約10%厳しすぎる結果となり、共同フィットの必要性が示された。