[論文レビュー] Potential PDF sensitivity at LHCb

R. McNulty|ArXiv.org|Oct 14, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、LHCb実験が前方領域におけるZ、Wおよび低質量Drell-Yan二ミュオン生成を測定することにより、特に小さな運動量分率 $ x \sim 2 \times 10^{-6} $ における陽子部分子分布関数（PDF）の制約を顕著に改善できることを示している。高純度トリガと運動量の非対称性を用いて、LHCbは断面積比において1%の実験的精度を達成し、$ Q^2 \approx 90 \, \text{GeV}/c^2 $ においてPDFの不確実性を2–5%にまで制限できる。また、高ラピディティ領域における小さな-$ x$のグルーオン分布の理論的不確実性を最大60%まで低減する可能性を有する。

ABSTRACT

A review of the potential sensitivity of the LHCb experiment to the parton distribution functions is given. Studies of dimuon events coming from Z, W and low mass Drell Yan production are presented and compared to MSTW theoretical predictions.

研究の動機と目的

• 未探索の運動量領域におけるLHCbの陽子部分子分布関数（PDF）への感受性を評価すること。
• 特に小さな-$ x $のグルーオン分布に対して、実験的制約が不足している点を是正すること。
• 高ラピディティ領域におけるZ、Wおよび低質量Drell-Yan二ミュオン事象の高純度選別に向けたトリガおよび解析手法の開発と検証。
• LHCbの測定が、特に$ x \sim 10^{-6} $の領域においてPDFの理論的不確実性をどの程度低減できるかを定量化すること。
• 断面積比（例：$ R_{ZW} $、$ R_{\pm} $）がPDFの不確実性に依存しにくく、高精度な電弱テストが可能であることを示すこと。

提案手法

• $ p_T^{\text{sum}} > 1.6 \, \text{GeV}/c $ を要件とする緩い二ミュオントリガを用い、その後でオフライン選別を実施して純度を向上させる。
• 信号とバックグラウンドを区別するため、運動量非対称性 $ A(x,y) = \frac{x - y}{x + y} $ を用いる。特にWボソン崩壊において有効である。
• 低質量Drell-Yan事象の選別に、ミュオン運動量、コーン運動量、および残余運動量の5つの観測量を組み合わせた尤度ベース選別を適用する。
• 理論的予測との比較に際して、MCFMジェネレータとMSTW07 PDF固有ベクトルを用い、期待される実験的不確実性と照らし合わせる。
• PDFの変動に対する感受性を評価するため、微分断面積 $ d\sigma/dy $ および $ d^2\sigma/dQ^2dy $ を分析する。
• PDF依存性を最小化するため、$ R_{ZW} = \sigma_Z / (\sigma_{W^+} + \sigma_{W^-}) $ のような比を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCbは前方領域におけるZおよびWボソン生成断面積を1%の精度で測定できるか？
• RQ2 低質量Drell-Yan二ミュオン事象を用いて、$ x \sim 2 \times 10^{-6} $ における小さな-$ x $のグルーオンPDFをどの程度制約できるか？
• RQ3 運動量非対称性および尤度ベース選別は、$ Q^2 = 5 \, \text{GeV}/c^2 $ までDrell-Yan信号を効果的に分離できるか？
• RQ4 $ R_{ZW} $ や $ R_{\pm} $ のような断面積比は、PDFの不確実性への感受性を低減し、高精度な電弱テストに適しているか？
• RQ5 1 fb$^{-1}$ のデータ量で $ d^2\sigma/dQ^2dy $ の統計的精度はどの程度達成可能か？また、現在のPDF理論的不確実性と比較するとどうなるか？

主な発見

• LHCbはZボソン二ミュオン選別において、効率 $ 91 \pm 1\% $ および純度 $ 97 \pm 3\% $ を達成し、主に誤識別されたハドロン（$ 3 \pm 3\% $）がバックグラウンドを占める。
• 50 pb$^{-1}$ のデータ量で、正確な発光度の知識を仮定すると、Z断面積測定の系統的不確実性は約1%に制限される。
• Wボソン崩壊においては、ミュオン運動量非対称性 $ A(p^\mu, p^{\text{rest}}) > 0.85 $ を用いて、選別効率33%、純度83%を達成し、誤識別されたパイオニオンが主なバックグラウンドとなる。
• 低質量Drell-Yan事象は $ Q^2 > 10 \, \text{GeV}/c^2 $ で95%以上の純度で選別可能であり、信号事象の15–50%を保持できる。
• $ Q^2 = 5 \, \text{GeV}/c^2 $ において、LHCbはこれまで測定がなかった領域 $ x \sim 2 \times 10^{-6} $ を70%の純度で探査可能であり、信号保持率5%を維持できる。
• 1 fb$^{-1}$ のデータ量で、$ d^2\sigma/dQ^2dy $ の各ビンについて数%の統計的精度が達成可能であり、LHCbは高ラピディティ領域における小さな-$ x $のグルーオン分布の理論的PDF不確実性を最大60%まで低減できる。