[論文レビュー] Understanding the structure of the proton: From HERA and Tevatron to LHC

M. Boonekamp, F. Chevallier+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

このレビューは、HERAおよびテバトロン実験の知見を統合し、パートン分布関数（PDFs）と微分過程に焦点を当てて陽子構造の理解を進める。LHCの測定—特にグルーオンおよびクォークPDF、およびPDFに依存しない観測量を通じて—不確実性を低減し、新しい物理を探索可能となる。一方、微分的過程は、高密度グルーオン状態における飽和効果を明らかにし、高グルーオン密度下での陽子力学の統一的記述を可能にする可能性を有する。

ABSTRACT

In this review, we first discuss the perspectives concerning a better determination of the proton structure in terms of quarks and gluons at LHC after describing the results coming from HERA and Tevatron. In a second part of the review, we describe the diffractive phenomena at HERA and Tevatron and the consequences for LHC.

研究の動機と目的

• HERAおよびテバトロンのデータから導かれる陽子パートン分布関数（PDFs）の現在の状態と限界を評価すること。
• LHCの測定が、ヒッグスおよびトップクォーク物理学に不可欠な低xおよび高x領域におけるPDF不確実性をどのように低減できるかを特定すること。
• 標準模型を超える新しい物理の発見可能性を高めるために、PDF不確実性にあまり依存しない観測量を探索すること。
• HERAおよびテバトロンにおける微分的過程が、高グルーオン密度領域および飽和物理学の理解への道筋をどのように提供するかを検討すること。
• 完全な陽子のタグ付きを用いたLHCにおける微分的ヒッグス生成および光子誘発過程の可能性を評価すること。

提案手法

• 固定標的に基づく実験、HERA（H1およびZEUS）、テバトロン（CDFおよびD0）のデータを統合したグローバルなQCDフィットを用いて、さまざまな$Q^2$スケールにおけるPDFを決定する。
• DGLAPおよびBFKLの進化スキームを、LO、NLO、NNLOの異なる摂動的次数で適用し、必要に応じて飽和効果を含める。
• 高$E_T$ジャット生成、グルーオン融合によるヒッグスボソン生成、Drell-Yan過程などのLHCに敏感な過程を分析し、PDFに起因する不確実性を定量化する。
• PDF依存性を低減しつつ、新しい物理信号への感度を保持するための断面積比の手法を提案する。
• HERAおよびテバトロンにおける排他的および包含的微分的過程を分析し、LHCにおける微分的ヒッグス生成および$γW$結合の研究をモデル化する。
• GASTOFおよびQUARTICタイプの高精度時間測定検出器を用いた陽子タグ付きの有効性を評価する。時間分解能と空間分解能を併せ持つ。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のPDF不確実性—特に低xおよび高x領域におけるもの—は、LHCにおける精度測定および発見可能性をどの程度制限しているか？
• RQ2 断面積比は、標準模型を超える新しい物理への感度を保ちつつ、PDF依存性をどの程度低減できるか？
• RQ3 微分的過程、特に完全な陽子を伴う排他的なイベントは、高グルーオン密度領域および飽和物理学の探査においてどのような役割を果たすか？
• RQ4 LHCにおけるミューラー＝ナヴレットジャットおよび他の高x過程の測定は、グルーオンPDFの制約をどの程度改善できるか？
• RQ5 LHCにおける微分的イベントで完全な陽子をタグすることにより、光子誘発過程および$\gamma W$結合の研究が、PDF不確実性を低減して可能になるか？

主な発見

• LHCにおけるPDF不確実性はしばしば統計誤差を上回り、特に海クォークの初期フレーバー組成や関数形の仮定に強く依存している。
• HERAのデータは、中程度の$x$領域（$x \sim 10^{-2}$）においてPDF不確実性を数パーセントまで制限しているが、低$x \sim 10^{-5}$および高$x$領域では依然として大きな不確実性が残存している。
• $x \sim 10^{-2} - 10^{-1}$範囲のグルーオン密度は、ヒッグスボソン生成および$\alpha_S$の運行測定に不可欠であり、実験的誤差を上回る不確実性が支配的である。
• 海クォークにおいて$\bar{u} = \bar{d} = \bar{s}$対称性を仮定することは、電弱精密測定に影響を及ぼし、実験的に検証する必要がある。
• テバトロンで観測された排他的微分的イベントは、LHCにおける微分的ヒッグスボソン生成の可能性を示唆しており、完全な陽子のタグ付きによって研究可能となる。
• GASTOFおよびQUARTICタイプの検出器を併用することで、10–15 psの時間分解能とミリメートルレベルの空間分解能を実現でき、微分的物理学におけるより良い陽子タグ付きが可能になる。