[논문 리뷰] Are bottom PDFs needed at the LHC?

Maria Ubiali|arXiv (Cornell University)|2014. 07. 21.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 LHC 물리학에서 바텀 쿼크 부분론적 분포 함수(PDFs)가 필요한지 여부를 4-플레버와 5-플레버 체계를 비교함으로써 조사한다. 바텀 쿼크로 시작하는 과정에 대해, 운동학적 및 역학적 고려사항을 바탕으로 물리적으로 타당한 인해규모를 제안하며, 이 규모에서 두 체계의 예측을 매칭하면 강한 일치를 보이며, 따라서 정밀도 높은 LHC 물리학에서 두 체계를 상호보완적으로 사용할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Processes involving bottom quarks play a crucial role in the LHC phenomenology, from flavour physics to Higgs characterisation and as a window to new physics, appearing both as signals and irreducible background in BSM searches. These processes can be described in QCD either in a 4-flavor or 5-flavor scheme. In the former, $b$ quarks appear only in the final state and are considered massive. In 5-flavor schemes, calculations include $b$ quarks in the initial state. Possibly large logarithms originating from the collinear splitting of gluons into bottom pairs are resummed into the $b$ parton distribution function (PDF). In this contribution, I describe a simple method to assess the size of the logarithms in processes initiated by bottom quarks and show how a substantial and justified agreement between calculations in the two schemes can be achieved. As a consequence both calculations can be used in different context. To conclude, an overview of the current studies aiming to generalise the current appraisal is given and some preliminary results are discussed.

연구 동기 및 목표

• 바텀 쿼크로 시작하는 과정에서 LHC 물리학에서 바텀 PDF가 필요한지 여부를 결정하는 것.
• 특히 힉스 및 토프 쿼크 생성에서 오랫동안 지속된 4-플레버와 5-플레버 체계 예측 간의 괴리 문제를 해결하는 것.
• 5-플레버 체계에서 인해규모를 선택하는 데 물리적으로 타당한 기준을 설정하여 4-플레버 체계 결과와 조율하는 것.
• 현상학적으로 관련된 LHC 과정에서 초기 상태의 공선 로그의 크기와 영향을 평가하는 것.
• 미래의 LHC 분석을 위해 향후 고차수 QCD 예측을 신뢰할 수 있도록 두 체계의 통찰을 통합하는 것.

제안 방법

• 부분론적 양자수축 공간에서 유도된 가중 함수를 사용하여, 공선 로그의 운동학적 억제를 바탕으로 5-플레버 체계에서 인해규모를 유도한다.
• 바텀 PDF의 진화를 기반으로 한 역학적 기준을 적용하여, NLO에서 DGLAP 진화를 잘라내어 누적된 로그의 영향을 평가한다.
• 유도된 규모에서 4-플레버와 5-플레버 체계의 총 단면적을 비교하여, 수시 조정 없이도 개선된 일치를 보인다.
• 특히 공선 근사에서의 1차 순서 단면적의 해석적 표현을 사용하여, 로그 인자 분포를 연구한다.
• 두 초기 상태 바텀 쿼크를 포함하는 과정(예: $pp \to Hbb$, $pp \to Zbb$)으로 분석을 확장하여, 단면적 요인에 의한 로그 스케일 억제를 분석한다.
• 시간적 DGLAP 진화를 통한 차별 분포 및 최종 상태 공선 로그로의 방법 일반화를 제안하여, 초기 상태 및 최종 상태의 누적 처리를 통합할 수 있도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC 과정에서 바텀 쿼크를 포함할 때, 초기 상태 공선 로그 $\log(\mathcal{Q}^2/m_b^2)$ 의 일반적인 크기는 얼마인가?
• RQ2 5-플레버 체계에서 인해규모를 어떤 물리적 기준으로 일관되게 선택하면 4-플레버 체계 예측과 일치시킬 수 있는가?
• RQ3 더 높은 에너지를 지닌 LHC에서조차도, 테바트론에 비해 4-플레버와 5-플레버 체계 간 괴리가 감소하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 운동학적 단면적 요인은 바텀 쿼크로 시작하는 과정에서 공선 로그의 효과적 스케일을 어떻게 억제하는가?
• RQ5 4-플레버 체계에서 질량이 있는 $b$ 쿼크를 사용한 계산이, 5-플레버 체계에서 누적된 로그를 포함하는 경우에 비해 얼마나 정확한 예측을 제공할 수 있는가?

주요 결과

• 5-플레버 체계에서 DGLAP 진화를 통한 초기 상태 공선 로그 $\log(\mu_f^2/m_b^2)$ 의 누적은 NLO에서 영향이 미미하며, 특히 작은 $x$ 에서는 전개를 잘라내는 것이 타당하다고 입증된다.
• 5-플레버 체계에서 물리적으로 타당한 인해규모는 단일 토프 생성의 경우 $m_t/4$, $Wb$ 연관 생성의 경우 $m_W/3$ 로 유도되며, 현상학적 선택과 이론적 정당성이 일치한다.
• 이 규모에서 4-플레버와 5-플레버 체계의 총 단면적 예측은 기대되는 불확도 범위 내에서 일치하며, 오랫동안 지속된 괴리를 해결한다.
• $pp \to Hbb$ 및 $pp \to Zbb$ 과정에서 로그 인자는 단면적 요인에 의해 억제되어 $\log(\mathcal{Q}^2/m_H^2)$ 또는 $\log(\mathcal{Q}^2/m_Z^2)$ 의 효과적 스케일이 감소하며, 이는 누적의 미미한 영향을 설명한다.
• 유도된 규모를 적용한 개선된 5-플레버 체계는 무거운 전하 힉스 보손 생성에 대해 신뢰할 수 있는 NLO QCD 예측을 제공하며, LHC 런 2 검색에 적합하다.
• 이 연구는 4-플레버와 5-플레버 체계가 상호보완적이고 신뢰할 수 있는 정보를 제공하며, 4-플레버 체계는 배타적 관측량에 더 적합하고, 5-플레버 체계는 고차수에서의 포함적 비율에 더 적합하다고 규명한다.