[論文レビュー] Parton Distributions and the LHC: W and Z Production

A. D. Martin, Richard G. Roberts+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるWおよびZボソンの生成断面積が、一部子分布関数（PDFs）、強い結合定数αₛ、および海クォーク分布の不確実性にどのように敏感であるかを調査する。MRST99 PDFセットを用いて、特にグルーオンおよび海クォーク分布からのPDF不確実性が、断面積予測にわずかだが無視できない変動を引き起こすことを示し、W/Z測定がPDFの制約およびその進化に関する強力なツールであることを明らかにする。

ABSTRACT

W and Z bosons will be produced copiously at the LHC proton-proton collider. We study the parton distribution dependence of the total production cross sections and rapidity distributions, paying particular attention to the uncertainties arising from uncertainties in the parton distributions themselves. Variations in the gluon, the strong coupling, the sea quarks and the overall normalisation are shown to lead to small but non-negligible variations in the cross section predictions. Ultimately, therefore, the measurement of these cross sections will provide a powerful cross check on our knowledge of parton distributions and their evolution.

研究の動機と目的

• LHCにおけるWおよびZボソン生成断面積に及ぼす部分子分布関数（PDF）の不確実性の影響を評価すること。
• グルーオン、海クォーク、および強い結合定数の分布の変動が理論的予測にどのように影響するかを定量化すること。
• LHCにおけるW/Z測定が、PDFの知識およびその進化の検証にどのように役立つかを評価すること。
• MRST99 PDFセットとCTEQ5セットを比較し、高Q²における海クォークおよびグルーオンの内容の差異を強調すること。
• 新しいMRST99セットにおけるPDF進化および運動量和則の保存における数値的正確性を保証すること。

提案手法

• MRST99の部分子分布関数のグローバルフィットを用い、ZEUS 1995 SVXデータおよび高い charm クォーク質量（1.43 GeV）を含む更新されたデータを統合する。
• $Q_0^2 = 1$ GeV²からLHCスケールの$Q^2$値まで、$\overline{\rm MS}$スキームにおけるDGLAP進化方程式を適用してPDFを進化させる。
• グルーオン分布（$\langle k_T \rangle$を介して）、$\alpha_S(M_Z^2)$、および全正規化を変化させることで、代替PDFセットを体系的に生成する。
• NLO QCDおよび既知の電弱パラメータを用いて、$\sqrt{s} = 14$ TeVにおけるWおよびZ生成の全断面積および迅速度微分断面積を計算する。
• MRST99、CTEQ5M、およびCTEQ5HQ PDFセット間の結果を比較し、一貫性を評価し、乖離を特定する。
• 各パートンフレーバーについて$\int x f_i(x,Q^2) dx$を数値的に統合することで、$Q^2$進化に伴う運動量和則の保存を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グルーオンおよび海クォーク分布の不確実性が、LHCにおけるWおよびZボソン断面積予測にどのように影響するか？
• RQ2 $\alpha_S$および全正規化の変動が、予測された断面積にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ3 高$Q^2$におけるMRST99 PDFセットとCTEQ5セットの間で、海クォークおよびグルーオンの内容にどのような差異があるか？
• RQ4 LHCにおけるWおよびZ生成測定が、PDFの不確実性に意味的な制約を加えることができるか？
• RQ5 MRST99 PDF進化において、$Q^2$にわたって運動量保存はどの程度保持されているか？

主な発見

• MRST99 PDFセットは、MRST98に比べて運動量保存が改善されており、$Q^2 = 10^4$ GeV²において、全運動量分率が1から0.5%未満のずれにとどまっている。
• $Q^2 = 10^4$ GeV²において、MRST99のグルーオン分布はCTEQ5Mに比べて約1.5%低く、CTEQ5HQに比べて1.2%低い。
• $Q^2 \sim 10^4$ GeV²において、MRST99の海クォーク分布はCTEQ5Mに比べて1–4%低い。特に$u$および$d$の海クォークで最大の差異が観察される。
• 高$x$領域におけるグルーオン分布および$\alpha_S$の変動により、WおよびZ生成の断面積不確実性は±3–5%のオーダーとなる。
• MRST99にZEUS 1995 SVXデータおよび高いcharmクォーク質量（1.43 GeV）を組み込むことで、$F_2$ charm 構造関数データの記述が改善された。
• MRST99コードは標準的なDGLAP進化を再現しており、$Q^2$進化にわたる正確な運動量保存と整合性を保っている。