[논문 리뷰] Combination of Measurements of Inclusive Deep Inelastic $e^{\pm}p$ Scattering Cross Sections and QCD Analysis of HERA Data

H, Zeus collaborations|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 19.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 40인용 수 137

한 줄 요약

이 논문은 HERA에서 H1 및 ZEUS 실험의 포함형 깊은 비탄성 산란 단면적의 글로벌 조합을 제시하며, 체계적 불확실성의 상관관계를 포함한다. 조합된 데이터는 다음으로 높은 순서의 QCD 분석을 가능하게 하여 HERAPDF2.0 글로벌 구형분포함수를 도출하며, αs(MZ) = 0.1183 ± 0.0009 (실험) ± 0.0005 (모델) ± 0.0012 (하드론화) +0.0037/-0.0030 (스케일)의 정밀도로 추출된다.

ABSTRACT

A combination is presented of all inclusive deep inelastic cross sections previously published by the H1 and ZEUS collaborations at HERA for neutral and charged current $e^{\pm}p$ scattering for zero beam polarisation. The data were taken at proton beam energies of 920, 820, 575 and 460 GeV and an electron beam energy of 27.5 GeV. The data correspond to an integrated luminosity of about 1 fb$^{-1}$ and span six orders of magnitude in negative four-momentum-transfer squared, $Q^2$, and Bjorken $x$. The correlations of the systematic uncertainties were evaluated and taken into account for the combination. The combined cross sections were input to QCD analyses at leading order, next-to-leading order and at next-to-next-to-leading order, providing a new set of parton distribution functions, called HERAPDF2.0. In addition to the experimental uncertainties, model and parameterisation uncertainties were assessed for these parton distribution functions. Variants of HERAPDF2.0 with an alternative gluon parameterisation, HERAPDF2.0AG, and using fixed-flavour-number schemes, HERAPDF2.0FF, are presented. The analysis was extended by including HERA data on charm and jet production, resulting in the variant HERAPDF2.0Jets. The inclusion of jet-production cross sections made a simultaneous determination of these parton distributions and the strong coupling constant possible, resulting in $α_s(M_Z)=0.1183 \pm 0.0009 { m(exp)} \pm 0.0005{ m (model/parameterisation)} \pm 0.0012{ m (hadronisation)} ^{+0.0037}_{-0.0030}{ m (scale)}$. An extraction of $xF_3^{γZ}$ and results on electroweak unification and scaling violations are also presented.

연구 동기 및 목표

• HERA에서 H1 및 ZEUS 실험의 모든 포함형 깊은 비탄성 산란 단면적을 Q² 및 Bjorken x의 넓은 범위에 걸쳐 조합한다.
• H1 및 ZEUS 데이터셋 간의 체계적 불확실성의 상관관계를 고려하여 조합된 단면적의 정밀도를 향상시킨다.
• 구형분포함수(PDFs)의 정확도를 향상시키기 위해 국소, 다음으로 높은 순서, 다음으로 다음으로 높은 순서의 QCD 분석을 수행한다.
• 추출된 PDFs의 모델 및 매개변수화 불확실성을 평가하며, 별도의 구형 및 고정-플레이버러 수치 모델을 포함한다.
• HERA의 채르모 및 제트 생성 데이터를 포함하여 PDFs와 강한 상호작용 상수 αs(MZ)를 동시에 결정할 수 있도록 분석을 확장한다.

제안 방법

• HERA에서의 H1 및 ZEUS 실험에서의 포함형 전자-양성자 및 전자-양성자 산란 단면적을 조합하며, 양성자 빔 에너지는 920, 820, 575 및 460 GeV이고 전자 빔 에너지는 27.5 GeV이다.
• H1 및 ZEUS 측정치 간의 체계적 불확실성의 상관관계를 평가하고 포함시켜 조합된 데이터에서 일관된 오차 전파를 확보한다.
• 조합된 단면적을 사용하여 LO, NLO 및 NNNLO에서의 구형분포함수를 추출하기 위해 글로벌 QCD 피팅을 수행하며, 그 결과로 HERAPDF2.0를 도출한다.
• 변형된 버전을 도입: HERAPDF2.0AG는 별도의 구형 매개변수화를 사용하며, HERAPDF2.0FF는 고정-플레이버러 수치 모델을 사용한다.
• 제트 및 채르모 생성 데이터를 포함하여 분석을 확장함으로써 PDFs와 αs(MZ)를 동시에 결정할 수 있도록 한다.
• 전체 피팅 프레임워크를 사용하여 실험, 모델/매개변수화, 하드론화, 스케일 변화에서의 별도 불확실성을 포함한 αs(MZ)를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H1 및 ZEUS 실험의 HERA에서 포함형 깊은 비탄성 산란 단면적의 가장 정밀한 조합은 체계적 상관관계를 고려하여 어떻게 이루어지는가?
• RQ2 조합된 HERA 데이터는 QCD의 다음으로 다음으로 높은 순서에서 구형분포함수를 어떻게 제약하는가?
• RQ3 제트 및 채르모 생성 데이터를 포함한 글로벌 피팅에서 추출된 강한 상호작용 상수 αs(MZ)의 정밀도는 어떠한가?
• RQ4 모델 및 매개변수화 불확실성은 추출된 구형분포함수의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 스케일 위반과 전자약력 통합 검증은 고운동량 전달에서 양성자의 구조를 어느 정도 제약하는가?

주요 결과

• 조합된 단면적은 Q² 및 Bjorken x에서 6개의 온스 오더 범위를 커버하며, 통합 루미너시티는 약 1 fb⁻¹이다.
• 글로벌 QCD 분석은 HERAPDF2.0를 도출하며, 종합적인 불확실성 추정치를 포함한 NNNLO에서의 새로운 구형분포함수 세트이다.
• 강한 상호작용 상수는 αs(MZ) = 0.1183 ± 0.0009 (실험) ± 0.0005 (모델/매개변수화) ± 0.0012 (하드론화) +0.0037/-0.0030 (스케일)로 추출된다.
• 변형된 버전인 HERAPDF2.0Jets는 제트 및 채르모 생성 데이터를 포함하여 PDFs와 αs(MZ)를 동시에 결정할 수 있도록 한다.
• 분석은 깊은 비탄성 산란에서의 스케일 위반 검증과 함께 xF₃^γZ 구조함수의 정밀한 추출을 제공한다.
• 결과는 고에너지에서 QCD의 타당성을 지지하며, HERA 에너지 범위에서의 전자약력 통합에 강력한 제약 조건을 제공한다.