[論文レビュー] Top production at the LHC: the impact of PDF uncertainties and correlations

Alberto Guffanti, Juan Rojo|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるトップクォーク対およびシングルトップ生成におけるPDFの不確実性および相関の影響を調査し、シングルトップ生成においてボトムクォーク質量が主要な理論的不確実性要因であることを示している。NNPDF2.0のグローバルフィットを用いて、トップクォークと電弱ベクトルボソンの断面積間に強い反相関があることを明らかにした。これは、初期のLHCデータにおいて$W^\pm$および$Z^0$生成の精密測定が、トップ断面積決定におけるPDF不確実性を低減できる可能性を示唆している。

ABSTRACT

In this contribution we discuss the impact of PDF uncertainties on t\bar{t} and t-channel single-top production at the LHC. We present predictions for total cross-sections computed at NLO accuracy with different PDF sets. For single- top production, we point out that the uncertainty arising from the choice of the bottom quark mass is one of the dominant theoretical uncertainties on the total cross-section. Finally, the possibility of using PDF induced correlations between top quark and electroweak vector boson production cross-sections to improve the accuracy of LHC measurements is investigated.

研究の動機と目的

• LHCにおける$t\bar{t}$および$t$チャネルシングルトップ生成断面積に対するPDF不確実性の影響を評価すること。
• 特にボトムクォーク質量$m_b$の役割を含め、シングルトップ生成における支配的理論的不確実性を同定すること。
• トップクォークと電弱ベクトルボソン（$W^\pm, Z^0$）生成断面積間のPDF由来相関を調査し、測定精度の向上を図ること。
• ベクトルボソン断面積を、トップクォーク断面積測定におけるPDF不確実性低減のキャリブレーション手法として使用する可能性を評価すること。
• 複数のNLO PDFセット（NNPDF2.0, CTEQ6.6, MSTW2008, ABKM09, HERAPDF1.0）の予測を比較し、部分子局在度および入力パラメータの違いに起因する乖離を特定すること。

提案手法

• MCFMコードを用いて、さまざまなPDFセットを用いて$t\bar{t}$および$t$チャネルシングルトップ生成のNLO QCD断面積を計算した。
• モンテカルロ手法を用いてPDF不確実性および相関を推定するNNPDF2.0グローバルフィットを用いた。
• PDF誤差伝搬に基づいて導出された式(1)で定義される相関係数$\rho$を用いて、部分子密度と断面積間の相関を定量化した。
• 同じNNPDF2.0フレームワークを用いて、トップクォークと電弱ベクトルボソン断面積（$\sigma_{W^+}, \sigma_{W^-}, \sigma_{Z^0}$）間の相関を分析した。
• PDFセット間の予測を比較し、$\alpha_s$、$m_b$、および部分子局在度の違いに起因する寄与を特定した。
• 相関楕円および部分子密度の相関をプロットし、断面積が異なる$x$値における特定のPDFにどのように感度を示すかを可視化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PDFの不確実性は、LHCにおける$t\bar{t}$および$t$チャネルシングルトップ生成の理論的予測にどのように影響を与えるか？
• RQ2 ボトムクォーク質量$m_b$は、シングルトップ生成断面積の理論的不確実性にどの程度の相対的影響を及ぼすか？
• RQ3 $t\bar{t}$および$t$チャネルシングルトップ断面積は、電弱ベクトルボソン生成断面積とどの程度相関しているか？
• RQ4 $W^\pm$および$Z^0$生成の測定を、トップクォーク断面積測定におけるPDF不確実性低減の手段として使用できるか？
• RQ5 PDFセットの違い（例：NNPDF2.0対ABKM09）が断面積予測に与える影響は何か。その背後にある原因は何か？

主な発見

• 7 TeVにおける$t\bar{t}$断面積は、異なるPDFセット間で最大約10%のばらつきを示し、NNPDF2.0、CTEQ6.6、MSTW2008は1シグマ不確実性内で一致している。
• $t$チャネルシングルトップ断面積はPDFセット間でより大きな乖離を示しており、1シグマ不確実性を超える差が生じており、主に$m_b$および$\alpha_s$の違いに起因している。
• ボトムクォーク質量$m_b$の不確実性は、特に$N_f=4$計算を用いる場合、シングルトップ生成における支配的理論的不確実性要因であると特定された。
• $t\bar{t}$断面積は$W^\pm$および$Z^0$断面積と強く反比例しており、相関係数はそれぞれ$\rho = -0.716$、$-0.694$、$-0.773$であった。
• $t$チャネルシングルトップ断面積は$W^\pm$および$Z^0$断面積とわずかな相関（$\rho \approx 0.14$から$0.33$）を示しており、ベクトルボソン測定によるキャリブレーションの可能性は限定的である。
• $t\bar{t}$断面積は$x \sim 0.1$におけるグルーオンPDFに最も感度を示すが、$t$チャネルシングルトップ断面積は$x \sim 0.01$における$b$クォークおよび$s$クォークPDFに最も感度を示す。