[論文レビュー] On the intrinsic bottom content of the nucleon and its impact on heavy new physics at the LHC

F. Lyonnet, A. Kusina+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、非セミシングレット進化方程式を用いて陽子内の真性 bottom クォークパートン分布関数（PDF）をモデル化する手法を開発し、完全なグローバルPDFフィットを経ずにLHCプロセスへの影響を効率的に推定できるようにする。その結果、真性 bottom の寄与が3.5%の場合、√τ = 0.5 において b\bar{b} ラミニンスが最大で4倍に増幅される可能性がある。これは、高質量の新しい物理の探索に影響を与える可能性があるが、質量抑制のため、真性 charm に比べて一般的に影響は小さい。

ABSTRACT

Heavy quark parton distribution functions (PDFs) play an important role in several Standard Model and New Physics processes. Most analyses rely on the assumption that the charm and bottom PDFs are generated perturbatively by gluon splitting and do not involve any non-perturbative degrees of freedom. It is clearly necessary to test this hypothesis with suitable QCD processes. Conversely, a non-perturbative, intrinsic heavy quark parton distribution has been predicted in the literature. We demonstrate that to a very good approximation the scale-evolution of the intrinsic heavy quark content of the nucleon is governed by non-singlet evolution equations. This allows us to analyze the intrinsic heavy quark distributions without having to resort to a full-fledged global analysis of parton distribution functions. We exploit this freedom to model intrinsic bottom distributions which are so far missing in the literature in order to estimate the impact of this non-perturbative contribution to the bottom-quark PDF, and on parton--parton luminosities at the LHC. This technique can be applied to the case of intrinsic charm, albeit within the limitations outlined in the following.

研究の動機と目的

• 標準的なPDFグローバル解析に欠落している真性 bottom クォーク分布を核子中にモデル化すること。
• 非摂動的真性 bottom クォークがLHCにおけるパートン-パートンラミニンスに与える影響を評価すること。
• 完全なグローバルPDF再分析を経ずに真性重クォーク効果を推定する計算的に効率的な技術を開発すること。
• 質量抑制要因を考慮した上で、真性 bottom と真性 charm の影響を比較すること。
• LHCプロセスにおける既存のPDF不確実性と比較して、真性 bottom の寄与の重要性を評価すること。

提案手法

• 真性重クォークPDFが非セミシングレットDGLAP方程式にほぼ従って進化することを活用し、完全なグローバルフィットシステムから分離可能である。
• 境界スケールにおけるグルーオンPDFに依存しない単純な正規化パラメータを用いて真性 bottom 分布をスケーリングする。
• CT10 や MSTW などの既存のグローバルPDFセットを用い、再フィットを経ずに一致する真性 bottom PDFを生成する。
• 中心エネルギー分率 τ の関数として、b\bar{b}、bg、c\bar{c}、cg チャネルのパートン-パートンラミニンスを計算する。
• 1% および 3.5% の真性 bottom 正規化について、標準的なPDF不確実性帯およびラミニンス帯と比較する。
• この手法を真性 charm に拡張し、正規化が大きくなると誤差も増加するが、感度研究には依然として有用であると述べる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真性 bottom クォーク成分は核子波動関数においてどの程度顕著であり、グローバルPDFフィットとは独立してモデル化可能か？
• RQ2 真性 bottom クォークはLHCにおける b\bar{b} および bg パートンラミニンスにどのような影響を与えるか？
• RQ3 m_c^2/m_b^2 ≈ 0.1 の質量抑制を考慮した場合、真性 bottom の影響は真性 charm と定量的にどのように比較できるか？
• RQ4 真性 bottom 寄与は、LHCの主要プロセスにおいて、現在のPDF不確実性帯に含まれるか、あるいはそれを上回る可能性があるか？
• RQ5 真性 bottom は、特に b\bar{b} 初期のチャネルにおいて、重い新しい物理の探索にどのような意味を持つのか？

主な発見

• 非セミシングレット進化を用いることで、真性 bottom PDFは高精度にモデル化可能であり、完全なグローバル再分析を経ずに独立した正規化が可能である。
• 真性 bottom 正規化が3.5%の場合、√τ = 0.5 における b\bar{b} ラミニンスは最大で4倍に増幅され、標準的なPDF不確実性帯を上回る。
• 3.5% の真性 bottom に対して bg ラミニンスは4倍に増幅されるが、現在の不確実性帯の範囲内にとどまる。
• 極端な仮定（真性 bottom の1%の一次モーメント）を採用した場合、√τ = 0.5 における b\bar{b} ラミニンス増幅は最大で17倍に達し、将来的に不確実性帯が厳しくなった場合の感度に寄与する可能性がある。
• 真性 charm に比べ、m_c^2/m_b^2 ≈ 0.1 の質量抑制のため、真性 bottom は c\bar{c} および cg ラミニンスに与える影響ははるかに小さい。
• 真性 bottom は大多数のLHCプロセスにおける重い新しい物理の探索に限定的な影響しか与えないが、PDF不確実性が縮小するか、b クォークへの結合が強化された場合には、重要性が高まる可能性がある。