[論文レビュー] Towards the determination of the photon parton distribution function constrained by LHC data

Stefano Carrazza|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

この論文は、LHCのATLAS Drell-Yan $W$, $Z/\gamma^{*}$, および高質量Drell-Yanデータを用いて、光子部分子分布関数（PDF）を制約するリウェイト法を提示している。これは、ディープインエラスチックスクattering（DIS）のみのフィットに比べて、中程度および小スケール $x$ における不確実性を顕著に低減する。この手法により、QCDでNLO、QEDでLOの光子誘発過程を含むLHCプロセスの予測精度が向上する。

ABSTRACT

We provide a discussion of the impact of a subset of Drell-Yan data from LHC on the determination of the photon parton distribution function (PDF), using the NNPDF methodology. In previous work we have shown that the photon PDF determined from deep-inelastic scattering (DIS) data only has large uncertainties, suggesting the need for more data from other processes such as Drell-Yan, which unlike DIS, includes photon-induced contributions at leading order in QED. We describe the inclusion of ATLAS Drell-Yan W, Z data, which is a subset of the LHC data used in a final photon PDF determination, by means of a reweighting procedure. We show the impact of such data by comparing the reweighted photon PDF with the photon PDF from DIS, highlighting the reduction of uncertainties at medium/small-x. We conclude that the Drell-Yan data from LHC allows a reasonably accurate determination of the photon PDF.

研究の動機と目的

• 深沈着散乱（DIS）データからのみ抽出された光子PDFにおける大きな不確実性に対処すること。
• LHCのDrell-Yanデータを組み込むことで、光子PDFの精度を向上させること。このデータには、一次的光子誘発寄与が含まれる。
• NNPDFフレームワークにATLAS $W$, $Z/\gamma^{*}$, および高質量Drell-Yanデータを統合するリウェイト手順を開発すること。この際、コアPDFフィッティング手法の変更は行わない。
• LHC Drell-Yanデータが、特に中程度および小スケール $x$ において、光子PDFに顕著な制約を加えることを示すこと。
• 将来のグローバルフィットの基盤を築くこと。これには、LHCbの低質量データや他のプロセスを含める予定である。

提案手法

• 500レプリカを用いた事前PDFセットを構築した。これは、$Q^2_0 = 2$ GeV$^2$ におけるDIS由来の光子PDFと、NNPDF2.3 NLOセットの5コピーを組み合わせたものである。
• リウェイト手順では、理論的予測（HORACEを用いて計算されたNLO光子誘発寄与を含む）と実験的ATLASデータとの間の $\chi^2$ を基に、レプリカに統計的重みを割り当てる。
• Wおよび $Z/\gamma^{*}$ の速さ分布および高質量Drell-Yan微分断面積の理論的予測は、それぞれAPPLGRIDおよびDYNNLOを用いて計算した。
• 再スケーリングパラメータ $\alpha$ を用いてリウェイトの整合性を評価し、$\alpha=1$ であれば不確実性の推定が適切に行われていることを示す。
• 情報量の増加を定量化するために、有効レプリカ数 ($N_{\rm eff}$) を計算した。リウェイト後、$N_{\rm eff}=266$ となった。
• 公開用およびさらなる分析用に、100レプリカの新しい無相関PDFセットを生成するためにアンウェイトを実行した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHC Drell-Yanデータは、中程度および小スケール $x$ における光子PDFの不確実性を顕著に低減できるか？
• RQ2 ATLAS $W$, $Z/\gamma^{*}$, および高質量Drell-Yanデータを、光子PDFの決定に統合するリウェイト手順はどの程度効果的か？
• RQ3 Drell-Yanプロセスにおける光子誘発寄与は、DISのみのフィットに比べて、光子PDFをどの程度制約するか？
• RQ4 リウェイトされた光子PDFが、$Z\to\mu^+\mu^-$生成の理論的予測に与える影響は何か？
• RQ5 リウェイトされた光子PDFの不確実性は、特にデータがカバーしていない領域において、DISのみのベースラインと比べてどうなるか？

主な発見

• リウェイト手順により、ATLASデータの $\chi^2$ は1.98から1.14に低下し、実験測定との整合性が向上したことが示された。
• 有効レプリカ数は $N_{\rm eff} = 266$ に低下し、データからの情報量の大幅な増加が裏付けられた。
• 特にATLAS Drell-Yanデータがカバーする $x$ 範囲において、光子PDFの不確実性が顕著に低減された。
• リウェイト後、光子PDFの中央値も低下した。これは、DISのみの中央値が統計的フラクチュエーションによって強く駆動されていた可能性を示唆している。
• ATLASの高質量Drell-Yanデータが、光子PDFの制約に最も寄与しており、$\chi^2$ の低下幅が最大であった。
• 非常に小スケール $x$ では、データカバレッジの欠如のため不確実性が依然として大きく、LHCbの低質量測定などの追加データの必要性が浮き彫りになった。