[논문 리뷰] Absolute Drell-Yan Dimuon Cross Sections in 800 GeV/c pp and pd Collisions

NuSea Collaboration, P. L. McGaughey외 39명|arXiv (Cornell University)|2003. 02. 14.

High-Energy Particle Collisions Research인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩 E866/NuSea 실험을 이용해 800 GeV/c의 pp 및 pd 충돌에서 Drell-Yan 이뮤온 단면적을 처음으로 종합적으로 측정한다. 이 결과는 현재의 글로벌 파트론 분포 피팅이 x → 1 근처에서 복사 쿼크 분포를 15–20% 과대평가하고 있음을 드러내며, 0.03 ≤ x < 0.15 범위에서 경량 반쿼크 해는 정확히 기술하고 있음을 확인한다.

ABSTRACT

The Fermilab E866/NuSea Collaboration has measured the Drell-Yan dimuon cross sections in 800 GeV/$c$ $pp$ and $pd$ collisions. This represents the first measurement of the Drell-Yan cross section in $pp$ collisions over a broad kinematic region and the most extensive study to date of the Drell-Yan cross section in $pd$ collisions. The results indicate that recent global parton distribution fits provide a good description of the light antiquark sea in the nucleon over the Bjorken-$x$ range $0.03 \lesssim x &lt; 0.15$, but overestimate the valence quark distributions as $x o 1$.

연구 동기 및 목표

• 800 GeV/c에서 pp 및 pd 충돌에서 절대 Drell-Yan 이뮤온 단면적을 측정하여 양성자 내부의 파트론 구조를 탐구한다.
• 특히 x → 1 및 0.03 ≤ x < 0.15 범위에서 현재의 글로벌 파트론 분포 함수(PDF) 피팅의 정확도를 시험한다.
• 이전 데이터가 제한되었던 범위에서 양성자 내 경량 반쿼크 분포의 크기를 제약한다.
• Tevatron에서 W 보손 생성 단면적을 예측하기 위한 PDF의 신뢰성을 평가한다.
• 측정 데이터와 1차 및 NLO 계산 간의 복사 쿼크 분포 차이를 조사한다.

제안 방법

• E866/NuSea 검출기를 사용해 √s = 800 GeV/c에서 pp 및 pd 충돌에서 이뮤온 생성 단면적을 측정한다.
• μ⁺μ⁻ 쌍의 진동 질량 M 및 페인만-x xF를 사용해 운동량 분율 x₁(입사 입자)과 x₂(타겟)를 추출한다. 공식은 M² = x₁x₂s 및 xF = x₁ − x₂이다.
• MRST2001 및 CTEQ6 PDF 피팅을 사용한 다음차순 보정(NLO) Drell-Yan 계산과 측정된 단면적을 비교한다.
• 다른 변수를 평균화하여 x₁ 및 x₂의 의존성을 별도로 분석함으로써 복사 쿼크(x₁)와 반쿼크(x₂)에 대한 민감도를 분리한다.
• 측정된 단면적과 이론 계산의 비율(K′-요소)을 현상학적 형태 K′(x₁) = α(1 − x₁)^β로 피팅하여 큰 x₁에서의 편차를 정량화한다.
• 정규화 불확실성과 PDF 피팅(MRST2001, CTEQ6)의 실험적 불확실성을 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 글로벌 PDF 피팅은 800 GeV/c에서 pp 및 pd 충돌의 Drell-Yan 단면적을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ2 이 새로운 데이터로 인해 0.03 ≤ x < 0.15 범위에서 경량 반쿼크 해 분포는 어느 정도 제약을 받는가?
• RQ3 MRST2001 및 CTEQ6 PDF 집합에서 큰 x₁(x₁ → 1)에서 양성자 내 복사 쿼크 분포가 과대평가되고 있는가?
• RQ4 pp 및 pd 최종 상태 간에 복사 쿼크 분포의 격차가 다를까?
• RQ5 이 결과는 Tevatron에서 W 보손 생성 단면적 예측에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• MRST2001 및 CTEQ6 PDF 피팅은 x₂ < 0.15 범위에서 단면적의 x₂ 의존성을 매우 잘 기술하며, 0.03 ≤ x < 0.15 범위에서의 정확성을 확인한다.
• MRST2001 PDF는 큰 x₁에서 복사 쿼크 분포를 약 15–20% 과대평가하며, pp 데이터보다 pd 데이터에서 더 큰 격차를 보인다.
• CTEQU6 PDF 역시 큰 x₁에서 복사 쿼크를 유사한 정도로 과대평가하며, 데이터는 CTEQ6의 불확실성 하한선 이하에 위치한다.
• 격차는 저x₂, 고x₁ 이벤트에 국한되어 있어, 작은 x₂ 반쿼크와 함께 큰 x₁에서 복사 쿼크를 모델링하는 데 특정 실패를 보인다.
• K′-요소에 대한 피팅 결과로 α ≈ 1.06–1.15 및 β ≈ 0.14–0.23를 도출하였으며, 이는 1과의 명백한 이격을 보이며 복사 쿼크 과대평가를 확인한다.
• 이 결과는 향후 PDF 피팅에서 큰 x에서 u 및 d 쿼크 분포에 상당한 수정이 필요하며, Tevatron에서의 새로운 물리 현상 서명 예측을 낮출 것임을 시사한다.