[論文レビュー] Report of the Snowmass 2013 energy frontier QCD working group

J. M. Campbell, K. Hatakeyama+52 more|arXiv (Cornell University)|Oct 19, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 14

ひとこと要約

Snowmass 2013 の報告書は、高エネルギー物理学における量子色力学（QCD）の最新状況と今後の優先課題を概説しており、精度計算、一部子分布関数（PDFs）、および基本定数に焦点を当てている。1%の理論的精度を達成し、ヒッグス粒子および強い結合定数の測定における不確実性を低減するために、次に次に高い順位（NNLO）QCD計算、電弱補正、およびLHeCのような電子-ハドロン衝突型加速器の活用を提唱している。

ABSTRACT

This is the summary report of the energy frontier QCD working group prepared for Snowmass 2013. We review the status of tools, both theoretical and experimental, for understanding the strong interactions at colliders. We attempt to prioritize important directions that future developments should take. Most of the efforts of the QCD working group concentrate on proton-proton colliders, at 14 TeV as planned for the next run of the LHC, and for 33 and 100 TeV, possible energies of the colliders that will be necessary to carry on the physics program started at 14 TeV. We also examine QCD predictions and measurements at lepton-lepton and lepton-hadron colliders, and in particular their ability to improve our knowledge of strong coupling constant and parton distribution functions.

研究の動機と目的

• HL-LHCおよび将来の衝突型加速器計画を支援するため、ヒッグス物理学に必要な精度領域（Higgs物理学）および新粒子探索領域（数TeVの質量）における部分子分布関数（PDFs）の改善の必要性に対処する。
• 次に次に高い順位（NNLO）およびそれ以上の固定順位QCD計算を進める。これには電弱補正を含め、将来の高エネルギー陽子-陽子衝突型加速器における精度物理学を可能にする。
• 因子分解、PDFの普遍性、およびパワー抑制項の寄与に関する微妙な問題を解消することで、1%レベルの理論的精度を達成する。
• 格子QCDおよび連続的（continuum）手法を用いてαs、mb、mcの決定を改善することで、ヒッグス粒子の崩壊断面積予測におけるパrametric不確実性を低減する。
• 将来のレプトン-ハドロン（例：LHeC）およびe+e−衝突型加速器が、αsの不確実性を0.1%まで低減する目標をもって、高精度PDFおよびαsの測定を可能にする可能性を探索する。

提案手法

• 直近10年間で開発されたQCDツールの体系的レビューと統合。これにはNLOおよびNNLO計算、行列要素にマッチした部分子シャワー、信頼性の高い誤差推定を伴うPDFセットが含まれる。
• αsにおけるNNLOまでの固定順位摂動論的理論と、特定の位相空間領域における大きな対数の総和化を組み合わせる。
• 高多重度の最終状態を正確にモデル化するため、モンテカルロシミュレーションに電弱補正、特にスダコフ対数を組み込む。
• 格子QCDと連続的抽出手法を用いて、αs(MZ²)、mb、mcの決定を誤差を低減するように改善する。
• QCDと電弱補正の統合フレームワークの開発。混合補正計算を通じて、加法的処理と乗法的処理の評価を行う。
• LHCのデータと将来のe+e−およびep衝突型加速器からの予測を統合した、グローバルなPDFフィット。PDFおよび光子PDFの制約を目的とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 将来のLHC物理学における精度領域および探索領域の不確実性を低減するために、部分子分布関数（PDFs）はどのように改善できるか？
• RQ2 高エネルギー陽子-陽子散乱シミュレーションにおいて、NNLO QCD補正とNLO電弱補正を最適に組み合わせる戦略は何か？
• RQ3 因子分解の普遍性やパワー抑制項の存在が、高精度においてどの程度破綻する可能性があるか？
• RQ4 将来の電子-ハドロン衝突型加速器（例：LHeC）は、HL-LHCの精度物理学に必要な決定的なPDF制約を提供できるか？
• RQ5 ヒッグス粒子の崩壊断面積予測におけるパrametric不確実性を低減するため、格子および連続的決定法におけるαs、mb、mcの改善はどの程度必要か？

主な発見

• 将来の電子-ハドロン衝突型加速器（例：LHeC）は、精度の高い陽子-陽子物理学に必要な高精度PDFを提供する最適な施設であると特定された。
• QCDにおける1%の理論的精度を達成するには、因子分解の有効性やPDFの普遍性、パワー抑制項の寄与に関する概念的問題の解消が必要である。
• 現在の格子および連続的決定法によるαs、mb、mcの決定は、過去の結合定数抽出に用いられたものよりも誤差が小さく、さらなる改善によりαsの誤差を0.1%まで低減できる可能性がある。
• 高エネルギー領域では電弱補正がQCD補正と同等またはそれ以上に大きくなり、将来の高エネルギー陽子-陽子衝突型加速器研究において、シミュレーションツールへの組み込みが不可欠である。
• 将来の高エネルギー衝突型加速器では光子誘発過程の寄与が顕著に増加するため、すべてのPDFグループが光子PDFおよびその不確実性を提供する必要がある。
• 2→2および特定の2→3過程におけるNNLO計算の実行能力は現在の技術的水準に達しており、将来のハドロン衝突型加速器の潜在的力を十分に発揮するために不可欠である。