[論文レビュー] Proton Structure from HERA to LHC

A. M. Cooper-Sarkar|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、LHCのW/Zボソン生成予測のためのパートン分布関数（PDF）フィットを改善するために、組み合わせたHERAデータ（H1およびZEUS）からの更新された陽子構造の決定を提示する。包括的深い非弾性散乱データ、charm構造関数データ、低エネルギー陽子ビーム走行データを統合することで、HERAPDF1.5フィットは高xおよび高Q²でより高い精度を達成し、LHCの断面積予測の不確実性をW⁺およびレプトン非対称性に関して約1%にまで低減した。また、charm quark質量のモデル依存性もより良好に制約された。

ABSTRACT

The kinematic region covered by the LHC experiments probes low values of Bjorken-$x$. At the scale relevant for $W$ and $Z$ production the central rapidity region covers $10^{-3} < x < 10^{-1}$. This means that it is the HERA data which give the most insight into the behaviour of parton distribution functions (PDFs) for the early phase of running at the LHC. The H1 and ZEUS experiments are combining their data so as to provide a legacy of HERA results. The present status of the data combinations and the impact of these data on our knowledge of parton distribution functions is explored.

研究の動機と目的

• H1およびZEUS実験からのHERAデータを統合することで、LHC物理学の陽子パートン分布関数（PDF）の精度を向上させること。
• 高精度の包括的断面積データ、F₂ᶜᶜデータ、低エネルギー陽子ビームデータを組み込むことで、LHCのWおよびZボソン生成予測の不確実性を低減すること。
• 複数の重クォーク質量スキームにおけるF₂ᶜᶜデータを用いて、charmクォーク質量とそのPDFへの影響を制約すること。
• 低エネルギーHERAデータを用いて、運動的変数のカットや低xにおけるDGLAP進化の崩壊の可能性に対するPDFの感受性を評価すること。
• HERA-IおよびHERA-IIの包括的データに基づき、LHCの素描的現象論に適した包括的かつ高精度なPDFセット（HERAPDF1.5）を生成すること。

提案手法

• HERA-I（1992–2001）およびHERA-II（2006–2007）走行中のe⁺pおよびe⁻p散乱における包括的深い非弾性散乱（DIS）断面積データをH1およびZEUSから統合し、相関する系統的不確実性に注意を払う。
• 重クォークに対して変動するフレーバー数（VFN）スキームを用いた、Thorne-RobertsのPDFフィッティングフレームワーク（HERAPDF）を適用し、パラメータ化およびモデル不確実性は体系的変動を用いて評価する。
• 両実験からのF₂ᶜᶜデータを組み込み、charmクォーク質量および異なる重クォーク質量スキーム（例：RT-standard、最適化、ACOT、ゼロ質量）への依存性を制約する。
• χ²最小化を用いて、異なるcharm質量値およびVFNスキームがPDFフィットに与える影響を評価し、得られたPDFセットからLHCのW⁺およびレプトン非対称性の予測を導出する。
• Q²およびxのカット（例：Q² > 3.5 GeV²、Q² > 5.0 GeV²、x > 5×10⁻⁴、飽和に起因するカット）を変化させ、低xにおけるDGLAP進化の崩壊の可能性および感受性をテストする。
• HERAPDF1.0（HERA-Iのみ）とHERAPDF1.5（HERA-I + HERA-II）を比較し、後者において高xおよび高Q²での精度が向上していることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H1およびZEUSの包括的DISデータを統合することで、個別の実験と比較して陽子PDFの精度と一貫性はどの程度向上するか？
• RQ2 F₂ᶜᶜデータは、LHCのW/Z生成予測におけるモデル依存性をどの程度低減し、charmクォーク質量をどの程度制約するか？
• RQ3 低エネルギー陽子ビームデータ（2007年）はグルーオンおよびバリオンクォークPDFにどのような影響を及ぼし、低xにおけるDGLAP進化の崩壊を示唆するか？
• RQ4 異なる重クォーク質量スキーム（RT、ACOT、ゼロ質量）は、PDFフィットのχ²およびLHC断面積予測にどのような影響を及ぼすか？
• RQ5 HERA-IIデータのHERAPDF1.5フィットへの組み込みにより、LHCにおけるW⁺およびレプトン非対称性予測の不確実性はどの程度低減されるか？

主な発見

• HERA-IおよびHERA-IIの包括的データに基づくHERAPDF1.5 PDFフィットは、高xおよび高Q²で精度が向上し、グルーオンおよびバリオンクォーク分布における不確実性が低減した。
• HERAPDF1.5では、LHCのW⁺断面積予測における総不確実性が約1%にまで低下したのに対し、HERAPDF1.0では約4%であった。これは主に高xデータの改善およびcharm質量の制約の向上によるものである。
• F₂ᶜᶜデータの組み込みによりモデル依存性が顕著に低減した。各重クォークスキームをその好ましいcharm質量で使用した場合、W⁺断面積の予測値のばらつきはわずか約1%にまで低下したが、固定質量を使用した場合の約7%と比べて顕著に改善された。
• ゼロ質量VFNスキームはχ²で不利益を被ったが、他のスキームからわずかに2%程度下回るにとどまり、さまざまなスキーム間で予測の堅牢性が保たれていることを示している。
• 低エネルギー陽子ビームデータはQ²カットに感受性を示した：より厳しいカット（Q² > 5 GeV²）ではグルーオンPDFが急峻になる傾向があり、特にHERAPDF1.0が同様のカットで安定であったのと比較して、低xにおけるDGLAP進化の崩壊の兆候を示唆している。
• HERAPDF1.5によるWおよびレプトン非対称性の予測は、MSTW2008およびCTEQ6.6と比較して、データとの一致が向上し、不確実性帯が狭くなった。特に中央レピドティー領域（10⁻³ < x < 10⁻¹）で顕著であった。