[논문 리뷰] A first determination of the strong coupling $\alpha _S$ at approximate $ extrm{N}^3$LO order in a global PDF fit

Thomas Cridge, L. A. Harland-Lang외 1명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Electromagnetic Scattering and Analysis인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 전 세계적으로 proton parton distribution functions (PDFs)를 동시에 피팅하여 약한 상호작용 상수 αS를 약간의 N3LO 순서에서 처음으로 전역적으로 결정한다. 그 결과 αS(MZ²) = 0.1170 ± 0.0016를 도출한다. 이 결과는 NNLO 값과 우수한 양자역학적 수렴성을 보이며, 더 현실적인 이론적 불확실성을 포함하여 다양한 제트 데이터 선택 사례 간의 일관성을 확인하고, aN3LO PDF 피팅의 신뢰성을 검증한다.

ABSTRACT

We present the first determination of the value of the strong coupling via a simultaneous global fit of the proton parton distribution functions (PDFs) at approximate N$^{3}$LO (aN$^{3}$LO) order in QCD. This makes use of the MSHT global PDF fitting framework, and in particular the recent theoretical advances that allow a PDF fit to now be performed at this order. The value of the strong coupling is found to be $\alpha_S(M_Z^2)$(aN$^{3}$LO)$ = 0.1170 \pm 0.0016$. This is in excellent agreement with the NNLO value of $\alpha_S(M_Z^2)$(NNLO) $= 0.1171 \pm 0.0014$, indicating that good perturbative convergence has been found. The resulting uncertainties, calculated using the MSHT dynamic tolerance procedure, are somewhat larger, but more accurate, at aN$^{3}$LO, due to the missing higher order theoretical uncertainties that are included at this order, but not at NNLO. We in addition present a detailed breakdown of the individual dataset sensitivity to the value of the strong coupling, with special focus on the impact of fitting dijet rather than inclusive jet data. This choice is found to have a non-negligible impact, but with overall good consistency found, especially at aN$^{3}$LO.

연구 동기 및 목표

• QCD에서 약간의 N3LO( aN3LO) 순서에서 proton PDFs와 αS를 동시에 전역 피팅하는 것을 수행한다.
• aN3LO에서 이론적 불확실성, 특히 NNLO에 존재하지 않는 누락된 고차항 보정의 영향을 평가한다.
• 전역 피팅에서 포괄적 제트 데이터와 이중 제트 데이터 간의 선택에 따른 αS의 민감도를 평가한다.
• NNLO와 aN3LO 간의 αS의 양자역학적 수렴성을 비교하고, aN3LO 추출의 신뢰성을 검증한다.

제안 방법

• 이론적 입력을 알려진 N3LO 계수 함수와 분열 함수를 포함하여 약간의 N3LO 순서까지 확장한 MSHT 전역 PDF 피팅 프레임워크를 사용한다.
• PDF 불확실성을 계산하기 위해 MSHT 동적 허용 오차 절차를 적용하여 실험적 및 이론적 불확실성을 모두 통합한다.
• LHC 제트, Drell-Yan, 깊은 비탄성 산란 데이터를 포함하는 광범위한 데이터세트에 동시에 피팅을 수행하며, αS(MZ²)는 자유 매개변수로 간주한다.
• 포괄적 제트 데이터와 이중 제트 데이터를 사용한 결과를 비교하여 다양한 제트 측정치 간 민감도와 일관성을 평가한다.
• CMS 및 ATLAS 제트 데이터의 업데이트된 처리 방식을 적용하여 통계적 상관관계와 개선된 오차 정의를 포함한다.
• 최신 N3LO 분열 함수 업데이트를 사용한 예비 점검을 통해 결과의 일관성을 확인하고 주요 결과를 지지한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전역 피팅에서 약간의 N3LO 순서에서 PDFs와 함께 추출된 강력 상호작용 상수 αS(MZ²)의 값은 무엇인가?
• RQ2 aN3LO에서 이론적 불확실성을 포함할 경우, NNLO에 비해 αS(MZ²)의 불확실성은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 전역 피팅에서 포괄적 제트 데이터와 이중 제트 데이터 간의 선택에 따라 추출된 αS(MZ²)는 얼마나 민감한가?
• RQ4 αS(MZ²)의 양자역학적 수렴성이 aN3LO에서 안정화되었는가? 이는 QCD 급수의 수렴을 의미하는가?
• RQ5 최근 N3LO 분열 함수와 행렬 원소에 대한 이론적 진전이 αS(MZ²) 결정에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 약간의 N3LO 순서에서 αS(MZ²)의 첫 전역 결정 결과는 0.1170 ± 0.0016를 도출하였으며, 이는 NNLO 값인 0.1171 ± 0.0014와 매우 우수한 일치를 보였다.
• aN3LO 불확실성은 NNLO보다 略로 크지만, 더 정확하며, 이는 NNLO에서 누락된 고차항 이론적 불확실성을 이제 포함하기 때문이다.
• 결과는 제트 데이터 선택에 대해 강인하다: 이중 제트 데이터를 사용하면 aN3LO에서 αS(MZ²) = 0.1170 ± 0.0013를 얻으며, 포괄적 제트 결과와 거의 동일하다.
• 포괄적 제트 데이터를 사용할 경우, aN3LO에서 αS(MZ²)가 NNLO에서 변화가 없어, 더 나은 양자역학적 수렴성이 나타났다.
• 최신 N3LO 분열 함수 업데이트를 사용한 예비 점검 결과는 주요 결과와 일관성을 보였으며, aN3LO 추출의 신뢰성을 지지한다.
• 이 연구는 αS(MZ²) 결정에서 수렴이 거의 aN3LO에서 달성되었음을 시사하며, 향후 고차항에서 더 이상의 상당한 이동은 기대되지 않는다.