[論文レビュー] Simplified QCD fit method for BSM analysis of HERA data

O. Turkot, Katarzyna Wichmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、PDFパラメータおよびBSMカップリングに関する微分係数を用いた一次のテイラー展開を用いることで、HERAのep散乱データに対するBSM解析の計算を高速化する簡素化されたQCDフィッティング手法を提示する。この手法は、完全なQCDフィットと比較して計算時間を50倍短縮し、クォーク形式因子のようなBSMモデルの制限設定を精度を損なわずに効率的に行える。この手法の有効性は、レプリカを用いた頻度主義的手法によって完全なフィット結果と照合された。

ABSTRACT

The high-precision HERA data can be used as an input to a QCD analysis within the DGLAP formalism to obtain the detailed description of the proton structure in terms of the parton distribution functions (PDFs). However, when searching for Beyond Standard Model (BSM) contributions in the data one should take into account the possibility that the PDF set may already have been biased by partially or totally absorbing previously unrecognised new physics contributions. The ZEUS Collaboration has proposed a new approach to the BSM analysis of the inclusive $ep$ data based on the simultaneous QCD fits of parton distribution functions together with contributions of new physics processes. Unfortunately, limit setting procedure in the frequentist approach is very time consuming in this method, as full QCD analysis has to be repeated for numerous data replicas. We describe a simplified approach, based on the Taylor expansion of the cross section predictions in terms of PDF parameters, which allowed us to reduce the calculation time for the BSM limits by almost two orders of magnitude.

研究の動機と目的

• HERAデータにおける頻度主義的BSM制限設定において、レプリカごとの完全なQCDフィットが計算的に非現実的であるという計算のボトル neck を解決すること。
• 同時にPDFパラメータとBSMカップリングをフィットする際、CPU時間を著しく削減しながらも正確性を維持する簡素化されたフィッティング手順を開発すること。
• 標準的手法を超えた他のモデルへのスケーラブルな拡張を可能にすること、例えばクォーク形式因子探索のようなBSM解析の拡張を可能にすること。
• 簡素化された手法が、クォーク半径の制限やカイ二乗値といった主要な観測量について、完全なフィット結果を正確に再現するかどうかを検証すること。

提案手法

• 本手法は、名目のPDFセットおよびゼロのBSMカップリングの周囲におけるpQCD+BSM断面積予測の一次のテイラー展開を用いる。
• 名目点において、断面積の参照値およびPDFパラメータおよびBSMカップリングに関する微分係数を事前に計算する。
• 各レプリカに対して、保存済みの微分係数と参照値を用いて、PDFのずれとBSMカップリングの線形関数として簡素化された断面積予測を構築する。
• 本手法は、各レプリカごとの完全なQCD進化およびPDFフィッティングを、断面積モデルの高速な解析的評価に置き換える。
• 同一のレプリカセットを用いて、簡素化フィットの結果と完全なQCD+BSMフィットの結果を比較することで、手法の妥当性を検証する。
• 本手法はクォーク形式因子モデルに適用され、レプリカに基づく確率分布を用いた頻度主義的手法により制限設定が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 簡素化されたQCDフィッティングアプローチは、完全なQCD+BSMフィットの結果を著しく短時間で再現できるか？
• RQ2 テイラー展開近似は、例えばフィットされたBSMパラメータの分布といった、制限設定手順の統計的性質をどの程度正確に保持するか？
• RQ3 本手法は、クォーク形式因子のシナリオを超えて、他のBSMモデルへどの程度拡張可能か？
• RQ4 レプリカベースの頻度主義フレームワークにおいて、PDFパラメータのフラクチュエーションが線形近似の正確性に及ぼす影響は何か？

主な発見

• 簡素化された手法は、完全なQCDフィットと比較して、1回のフィットあたりの平均CPU時間を50倍短縮し、20万回のフィットにかかる総時間を30年以上から1年未塔に削減した。
• 簡素化された手法によるフィットされたクォーク半径の二乗値は、完全なQCDフィット結果とほとんど完全に一致しており、分布の幅よりも小さい差異しか示さなかった。
• 簡素化フィットと完全なフィットの両方のカイ二乗値は非常に良好に一致しており、手法がフィットの質を維持していることを確認した。
• フィットされた$R_q^2$値の確率分布およびそれによる95% C.L.の$R_q^2$制限は、完全なフィット結果と区別できず、比較図によって確認された。
• 本手法により、従来は計算的に現実的でなかった、新たなカップリングや形式因子を有する他のBSMモデルの効率的探索が可能になった。