[論文レビュー] Study of Parton Density Function Uncertainties with LHAPDF and PYTHIA at LHC

D. Bourilkov|ArXiv.org|May 12, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、PYTHIA 6.2モンテカルロイベントジェネレータとLHAPDFライブラリの間の新しいインターフェースを提示する。これにより、LHCにおける精度の高いQCD予測に、不確実性を伴う部分子密度関数（PDF）セットを直接使用できるようになった。Drell-Yanおよびヒッグスボソン生成におけるPDF不確実性の推定を通じて、この手法の有効性を示した。その結果、高質量領域や大規模なイベントサンプルにおいても、PDF不確実性は無視できないが管理可能であることが明らかになった。

ABSTRACT

The experimental errors in current and future hadron colliders are expected to decrease to a level that will challenge the uncertainties in the theoretical calculations. One important component in the prediction uncertainties comes from the Parton Density Functions of the (anti)proton. In this work we develop an interface from the Les Houches Accord Parton Density Functions (LHAPDF) package to the very popular Monte Carlo generator { t PYTHIA} version 6.2. Then we proceed to estimate the PDF uncertainties for the production of Drell-Yan pairs from the Z pole to masses above 1 $\TeV$ and for Higgs bosons at LHC. The measurement of the electro-weak mixing angle at LHC as a particularly difficult case is studied.

研究の動機と目的

• PYTHIA 6.2とLHAPDFライブラリの間の信頼性の高いインターフェースを構築し、モンテカルロシミュレーションにおけるPDFセットの一貫性ある使用を可能にすること。
• 複数のPDFセットメンバーを繰り返しイベント生成することで、LHCプロセスにおけるPDF不確実性の推定を可能にすること。
• Drell-Yan生成およびヒッグスボソン生成、さらには電弱混合角の測定を含む、LHCの主要な観測量に及ぼすPDF不確実性の影響を評価すること。
• 既知のPDFセットと、PDFLIBなどの代替PDFライブラリを用いたクロスチェックを通じて、実装の妥当性を検証すること。
• 特に高質量および前後非対称性観測量において、PDF不確実性がLHCにおける精度測定を制限する要因となるかどうかを評価すること。

提案手法

• LHAPDFフレームワークを介して、複数のPDFセット（CTEQ6、MRST2001、Fermi2002）をサポートするPYTHIA 6.2インターフェースを開発し、実行時におけるPDFメンバーの選択を可能にした。
• EVLCTEQおよびQCDNUMの2つの発展コードを1つのライブラリに統合し、再コンパイルなしで異なるPDFセットの使用を可能にした。
• 標準的なLHAPDFアプローチを採用：PDFセットは固有ベクトル（またはメンバー）の集合として表現され、各メンバーに対して観測量を計算することで不確実性を推定した。
• 90%信頼水準（CL）における不確実性の式を適用：CTEQ6に対しては ΔX = 0.5 × √Σ[Xi(S+) − Xi(S−)]² を使用し、Fermi2002に対しては標準偏差を用いた。
• 統計的精度がPDF不確実性の寄与よりも小さくなるよう、12億イベントのスケールでのイベント生成をCONDORグリッドスケジューラを用いて実施した。
• 急速度領域と前後非対称性を、異なるx領域におけるPDF感度を調査する主要な観測量として用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PYTHIA 6.2とLHAPDFライブラリの間には、PDFセットの不確実性を伴う使用を可能にする安定的かつ効率的なインターフェースを確立できるか？
• RQ2 LHCにおけるZピーク近辺および1 TeVを超える質量領域におけるDrell-Yan対生成におけるPDF不確実性の大きさはどの程度か？
• RQ3 特に高質量領域および前向き領域において、ヒッグスボソン生成におけるPDF不確実性はどの程度顕著か？
• RQ4 LHCにおける電弱混合角測定の精度に、PDF不確実性がどの程度影響を及ぼすか？
• RQ5 高出力LHC環境下では、モンテカルロサンプリングによる統計的不確実性がPDF不確実性に比べて無視できるほど小さいか？

主な発見

• インターフェースは、PYTHIA 6.2がLHAPDF PDFセットを複数のメンバーを用いて使用できることを実証し、異なるPDFライブラリ（例：CTEQ5Lの断面積はPYTHIA内蔵、PDFLIB、LHAPDFの実装で1%以内で一致）において一貫性のある結果を得た。
• 91.2 GeVにおけるDrell-Yan生成では、断面積はCTEQ5Lで1516 ± 5 pbからMRST2001で1591 ± 5 pbまで変動し、PDFセットおよび発展コードの違いが反映された。
• 高質量領域（M > 1 TeV）では、最新のPDFセットにより断面積が顕著に増加した：CTEQ6で6.76 ± 0.02 fb、MRST2001で7.09 ± 0.02 fbであり、PDF選択による強い依存性が示された。
• Drell-Yan生成における前後非対称性に関しては、最も前向きな急速度領域（1.6–2.4）で90% CLにおけるPDF不確実性が0.00082未満と推定され、無視できないが管理可能であることが示された。
• 90% CLにおけるPDF不確実性の上限を得るためには、急速度領域0.8–1.6で2770万イベント、1.6–2.4で1150万イベントが必要であり、100%効率で約110 fb⁻¹の光度でも実現可能である。
• 12億イベントを生成したにもかかわらず、PDF不確実性によるシステム的な障害要因は検出されず、高出力LHC測定においても、これが主な制限要因ではない可能性が示唆された。