[논문 리뷰] Constraining PDFs from neutral current Drell-Yan measurements and effects of resummation in slepton pair production

Juri Fiaschi, Elena Accomando외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 02.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런-II에서 양성자-양성자 충돌에서 중성미자 전류 Drell-Yan 과정의 전진-후행 비대칭도(AFB)를 정밀도 관측량으로 사용하여 파트론 분포 함수(PDFs)를 제약하는 방법을 제안하며, 이 AFB의 통계적 불확실성이 곧 PDF의 불확실성을 초월할 것임을 보여준다. 또한, 임계값에 맞춘 PDFs를 사용한 스레프톤 쌍 생성에 대해 일관된 NLO+NLL 계산을 도입하여 PDF와 행렬 요소에서의 재구성 효과가 부분적으로 상쇄됨을 입증함으로써, PDF 및 스케일 불확실성의 조합을 고려한 신뢰할 수 있는 단면적 예측을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The high statistics that will be collected during the LHC Run-II (and beyond) open the path to precision measurements at the TeV scale, where the PDFs will play a crucial role in BSM searches. In the di-lepton final state accurate measurements of the Forward-Backward Asymmetry (AFB) will be available, particularly in the invariant mass region around the Z peak. We show that this observable displays a statistical error which is competitive with that assigned to the existing PDF sets and which will rapidly become smaller than the latter as the integrated luminosity grows, thereby offering a means of constraining the (anti)quark PDFs over a sizeable $(x,Q^2)$ range. In the context of SUSY searches we consider the effects of employing threshold-improved PDFs in a consistent calculation at NLO+NLL of slepton pair production cross sections. The calculations featuring a consistent resummation procedure both at PDF and partonic matrix element level are accompanied by PDF and scale uncertainties, and they provide a reliable and updated theoretical estimation for experimental data analyses at the LHC Run-II.

연구 동기 및 목표

• 고x 영역에서 (반)쿼크 PDF를 제약하기 위해 중성미자 전류 Drell-Yan 과정에서의 전진-후행 비대칭도(AFB)가 정밀도 관측량으로서의 잠재력을 평가하는 것.
• 임계값에 맞춘 PDFs가 NLO+NLL 정밀도에서 스레프톤 쌍 생성 단면적에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 스레프톤 생성의 재구성 순서를 PDF 피팅과 부분론적 행렬 요소 모두에서 일치시켜 이론적 일관성을 확보하는 것.
• K-요인 형식론을 사용하여 NLO+NLL 예측에서 PDF 및 스케일 불확실성의 조합을 정량화하는 것.

제안 방법

• Z 보손 피크 영역의 이론 레이트 끝 상태에서의 AFB 측정값을 글로벌 PDF 피팅에 통합하여 쿼크 및 반쿼크 분포를 제약하는 것.
• 고x의 바이어턴 쿼크와 저x의 해이 반쿼크에 대한 민감도를 향상시키기 위해 이론 레이트 시스템에 빠르기 조건을 적용하는 것.
• NLO 및 NLO+NLL에서 피팅된 임계값에 맞춘 PDF 세트(NNPDF30_nll_disdytop)를 사용하여 부분론적 단면적 계산과의 일관성을 확보하는 것.
• NLO+NLL 단면적과 NLO 단면적 간의 비율로 정의된 K-요인을 사용하여 보정 효과를 추정하고 PDF 불확실성을 일관되게 전파하는 것.
• PDF 및 스케일 불확실성을 제곱근의 합으로 조합하여 스레프톤 생성 단면적에 대한 견고한 이론적 오차 범위를 형성하는 것.
• 전체 K-요인과 그 PDF에 의존하는 성분을 비교하여 PDF에서의 재구성 효과를 분리하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 중성미자 전류 Drell-Yan 생성에서의 전진-후행 비대칭도는 기존의 글로벌 피팅과 비교해도 PDF 제약에 경쟁력 있는 자료가 될 수 있는가?
• RQ2 AFB 측정의 통계 정밀도는 루미노시티가 증가함에 따라 어떻게 변화하며, 언제 PDF 불확실성을 초월하게 되는가?
• RQ3 스레프톤 쌍 생성 단면적에서 PDF와 부분론적 행렬 요소의 임계값 재구성 효과가 얼마나 상쇄되는가?
• RQ4 NLO+NLL PDFs를 사용할 경우 LHC에서 스레프톤 쌍 생성 단면적의 이론적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 NLO+NLL 단면적과 NLO+NLL PDFs를 결합하면서 불확실성 추정치를 유지하는 일관된 K-요인 형식론을 어떻게 구성할 수 있는가?

주요 결과

• 고루미노시티에서 Z-피크 영역의 AFB 관측의 통계적 불확실성은 기존의 PDF 불확실성보다 작아지며, 향후 PDF 글로벌 피팅의 타당한 제약 조건가 될 것으로 예상된다.
• √s = 13 TeV에서 300 fb⁻¹의 통합 루미노시티를 가질 경우, CT14NNLO와 NNPDF3.1 PDF 세트의 예측 간에 명확한 분리가 나타나며, 특히 고빠르기 조건을 적용한 경우 더욱 뚜렷하다.
• AFB는 고x 영역에서 u-쿼크와 d-쿼크 PDF의 상대 크기에 매우 민감하여, 다양한 PDF 매개변수화 방식 간의 구분이 가능하다.
• 스레프톤 쌍 생성에 대한 K-요인은 PDF와 부분론적 행렬 요소에서의 재구성 효과가 부분적으로 상쇄되어 순수 보정 효과가 감소함을 보여준다.
• 제1 및 제3세대 스레프톤 쌍 생성 모두에서 K-요인은 다양한 혼합 상황에서도 상대적으로 안정적이며, 약한 결합의 구조에 약한 의존성을 보임을 시사한다.
• PDF 및 스케일 변동을 포함한 종합 이론적 불확실성은 K-요인 형식론을 통해 잘 추정되며, 이는 LHC 런-II에서의 실험 분석에 신뢰할 수 있는 예측을 가능하게 한다.