[논문 리뷰] A direct probe of the intrinsic charm content of the proton

T. Boettcher, P. Ilten외 1명|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|2015. 12. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 LHCb 실험에서 LHC의 런 2 및 런 3 기간 동안 전방 영역에서 $Z$-보손과 쿠르르-제트($Zc$) 생성을 정밀 측정함으로써 양성자 내부의 고유 쿠르르(ICC)를 직접 탐지하는 방법을 제안한다. 고차원 계산 및 시뮬레이션을 통해 LHCb는 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 0.3\%$ 수준의 복사형 ICC와 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 1\%$ 수준의 해역형 ICC를 탐지할 수 있으며, 이는 비추상적 쿠르르 성분과 그 히긴스 생성에 미치는 영향을 민감하게 테스트할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Measurement of $Z$ bosons produced in association with charm jets $(Zc)$ in proton-proton collisions in the forward region provides a direct probe of a potential non-perturbative (intrinsic) charm component in the proton wave function. We provide a detailed study of the potential to measure $Zc$ production at the LHCb experiment in Runs 2 and 3 of the LHC. The sensitivity to valence-like (sea-like) intrinsic charm is predicted to be $\langle x angle_{ m IC} \gtrsim 0.3\%(1\%)$. The impact of intrinsic charm on Higgs production at the LHC, including $Hc$, is also discussed in detail.

연구 동기 및 목표

• 고정밀도 $Zc$ 생성 측정을 통해 양성자 웨이브 함수 내 비추상적 고유 쿠르르(IC)를 직접 실험적으로 탐지하는 것.
• 런 2 및 런 3 기간 동안 LHCb 실험의 복사형 및 해역형 IC 성분에 대한 감도를 큰 운동량 분수($x$) 범위에서 평가하는 것.
• 고유 쿠르르가 히긴스 보손 생성 단면적, 특히 $Hc$ 생성에 미치는 영향을 정량화하고 쿠르르 요하드 상수를 제약하는 것.
• IC 발견과 무관하게, 저-$Q$ DIS에서 전자약력 스케일까지의 쿠르르 쿼크에 대한 DGLAP 진화를 테스트하는 것.
• 전하 비대칭 측정을 통해 큰-$x$ 스트랭전 쿼크 PDF를 탐지하기 위해 $Wc$ 생성 방법을 확장하는 것.

제안 방법

• CT14 NNLO PDF 세트와 PowhegBox 행렬 요소를 사용한 고차원 계산(NLO)을 통해 $pp$ 충돌에서의 $Zc$ 생성을 모델링한다.
• 이론적 안정성을 확보하기 위해 aMC@NLO와 다양한 쇼어링 방법(Powheg 및 FxFx)을 사용한 교차 확인을 수행한다.
• Pythia를 사용해 파arton 쇼어링, 수소화 및 붕괴를 시뮬레이션하고, EvtGen을 통해 붕괴를 처리하며, Photos를 사용해 QED 복사 효과를 고려한다.
• 배경를 줄이고 신호 순도를 향상시키기 위해 $Z \to \mu\mu$ 붕괴 채널을 중심으로 하며, $60 < m(\mu\mu) < 120\,\text{GeV}$ 범위에 집중한다.
• 실험적 및 이론적 불확실성을 줄이기 위해 핵심 관측량으로 비율 $Z^{c}_{j} \equiv \sigma(Zc)/\sigma(Zj)$를 정의한다.
• 큰-$x$ 쿠르르 쿼크에 대한 감도를 극대화하기 위해 전방 영역($|\eta| > 2$)을 분석하며, LHCb의 뛰어난 전방 트래킹 및 $c$-제트 태깅 능력을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb의 전방 영역에서의 $Zc$ 생성은 양성자 내부의 고유 쿠르르를 직접이고 민감하게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 런 2 및 런 3 기간 동안 LHCb는 어떤 최소 수준의 고유 쿠르르 성분(즉, $\langle x\rangle_{\rm IC}$ 기준)을 탐지할 수 있는가?
• RQ3 고유 쿠르르는 히긴스 보손 생성 단면적, 특히 $Hc$ 생성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고유 쿠르르는 저-$Q$ DIS에서 고-$Q$ 스케일까지의 쿠르르 쿼크에 대한 DGLAP 진화를 어느 정도 변화시키는가?
• RQ5 LHCb에서의 $Wc$ 생성은 전하 비대칭 측정을 통해 큰-$x$ 스트랭전 쿼크 PDF를 탐지하는 데 사용될 수 있는가?

주요 결과

• LHCb는 런 2 및 런 3 기간 동안 복사형 고유 쿠르르에 대해 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 0.3\%$ 수준의 감도를 확보할 것으로 예측된다.
• 해역형 고유 쿠르르에 대한 감도는 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 1\%$ 수준에 도달할 것으로 기대된다.
• 고유 쿠르르가 $Hc$ 생성에 미치는 영향는 약 $25\%$ 증가한 쿠르르 요하드 상수와 유사하므로, $Hc$는 고유 쿠르르를 민감하게 탐지할 수 있는 도구가 된다.
• SEA2 IC 모델의 경우, $Y_c = 0$일 때의 $\sigma(Hc)$는 $Y_c \approx 0.7\,Y_c^{\rm SM}$인 IC가 없는 경우와 일치하며, 이는 고유 쿠르르와 요하드 상수 간의 강한 상호작용을 시사한다.
• 고유 쿠르르가 존재하지 않더라도, $Zc$ 측정은 저-$Q$ DIS에서 전자약력 스케일까지의 쿠르르 쿼크에 대한 DGLAP 진화를 비판적으로 테스트할 수 있다.
• $\sigma(Zc)$에 비해 $Z^{c}_{j}$ 비율은 실험적 및 이론적 불확실성에 덜 민감하므로, 고유 쿠르르 감도 분석에 이상적인 관측량이다.