[論文レビュー] Parton densities from LHC vector boson production at small and large transverse momenta

Matthias Brandt, Michael Klasen|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、LHCにおける高横運動量のベクトルボソン生成（√s = 7, 8, 14 TeVのW/Zボソン）を用いて、特に大きな運動量分率xにおけるグルーオンPDFの制約を改善することを提案する。この過程は、高pT領域でクォーク-グルーオン散乱（QCDコンプトン型）が支配的であり、NLOおよびソフトグルーオンの再結合を用いた理論的予測が信頼できる。LHCの高pTデータは、TevatronのZボソンデータにフィットした非摂動的パラメータを用いた予測と非常に良好に一致しており、既存のフィットが再フィットなしに新しいLHCデータを記述できることを示しており、今後のグローバルPDFフィットにこれらのデータを組み込むことで、大x領域におけるグルーオンPDFの制約が強化されることを示唆している。

ABSTRACT

The parton densities of the proton are of fundamental importance not only for our description of hadronic and nuclear structure, but also for reliable predictions for new heavy particle searches at colliders. At the large partonic momentum fractions required for the production of these particles, the parton distribution functions, in particular the one of the gluon, are unfortunately still badly constrained. In this paper, we investigate the possibility to improve on their determination with new data coming from electroweak vector boson production at large transverse momenta at the LHC with center-of-mass energies of 7, 8 or 14 TeV. We demonstrate that this process is dominated by quark-gluon scattering, that theoretical predictions can be reliably made on the basis of next-to-leading order perturbation theory and its resummation, and that these data should thus be used in global fits. We also point out that the non-perturbative parameters determined from Tevatron run-1 Z-boson data at low p_T describe very well the new LHC data at \sqrt{s}=7 TeV.

研究の動機と目的

• プロトンのパートン分布関数（PDF）の制約、特に現在の知識が乏しい大運動量分率xにおけるグルーオンPDFの制約を改善すること。
• LHCにおける高横運動量W/Zボソン生成が、大x領域におけるグルーオンPDFの信頼できるプローブとして機能できるかどうかを調査すること。
• 次-leading order（NLO）およびソフトグルーオン再結合技術を用いた、この過程の理論的信頼性を評価すること。
• TevatronのZボソンデータにフィットした非摂動的パラメータが、√s = 7 TeVの新しいLHCデータを再フィットなしに記述できるかどうかを評価すること。
• 今後のグローバルPDFフィットにおいて、高pTのベクトルボソンデータを統合することで、PDFの精度を向上させることを提言すること。

提案手法

• W/Zボソン生成の理論的断面積は、次-leading order（NLO）の摂動的QCDおよび次-leading logarithmic（NLL）レベルでのソフトグルーオン再結合を用いて計算された。
• 解析は、特にクォーク-グルーオン散乱が支配的となる高pT領域において、ベクトルボソン生成の横運動量（pT）および急速度（y）依存性に焦点を当てる。
• パートオンの運動量分率x1およびx2は、ベクトルボソンのインヴァリアント質量および急速度から導出され、急速度依存性は指数関数的に変化し、非対称なx領域をプローブする。
• 非摂動的効果は関数W~NPj¯k(b,Q,Q0,x1,x2)を用いてモデル化され、パラメータg1, g2, g3はTevatronラン1のZボソンデータにフィットされた。
• 理論的予測は、√s = 7 TeVにおけるZおよびWボソン生成の公開済みCMSおよびATLASデータ（pTおよび急速度チャンクごと）と比較された。
• CT10、MSTW08、NNPDF2.1のPDF不確実性帯が評価され、特に不確実性が最大となるフォワード急速度領域でデータと比較された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける高横運動量のベクトルボソン生成は、大x領域におけるグルーオンPDFの制約を改善できるか？
• RQ2 QCDコンプトン過程（qg → qZ*/W*）は高pTベクトルボソン生成において支配的であり、グルーオンPDFへの感度を提供するか？
• RQ3 NLOとソフトグルーオン再結合の併用によって、高pT領域におけるこの過程の理論的予測は信頼できるか？
• RQ4 TevatronのZボソンデータにフィットした非摂動的パラメータは、√s = 7 TeVの新しいLHCデータを再フィットなしに記述できるか？
• RQ5 LHCの高pTベクトルボソンデータは、特にフォワード急速度領域において、グローバルPDFフィットをどの程度改善できるか？

主な発見

• 横運動量が約20 GeVを超える領域では、LHCにおけるベクトルボソン生成はクォーク-グルーオン散乱過程（QCDコンプトン型）が支配的であり、グルーオンPDFに対して非常に感受性が強い。
• NLOおよびソフトグルーオン再結合を用いた理論的予測は、√s = 7 TeVにおけるZおよびWボソン生成について、それぞれpT = 600 GeVおよび300 GeVまでCMSおよびATLASデータと良好に一致している。
• Tevatronラン1のZボソンデータにフィットした非摂動的パラメータは、√s = 7 TeVの正規化されたLHCデータを極めて良好に記述しており、現段階で再フィットの必要がないことを示している。
• フォワード急速度領域（|y| ∈ [2;3]）におけるPDF不確実性は大きく、最大で2倍に達するため、これらの測定が不確実性を低減する可能性を示している。
• CT10、MSTW08、NNPDF2.1の不確実性帯のエンVELOPEは、CT10単体の不確実性帯よりもさらに広く、この過程がPDFの変動に非常に感受性が強いこと、そしてグローバルフィットにおいて価値があることを示している。
• 高pT領域における理論的スケール不確実性は依然として小さく、8および14 TeVでの今後のグローバルPDF解析における予測の信頼性を支持している。