[논문 리뷰] Determination of the strong coupling constant from inclusive jet cross section data from multiple experiments

D. Britzger, K. Rabbertz외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 01.

Astrophysics and Cosmic Phenomena참고 문헌 86인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 다양한 고에너지 물리 실험(ATLAS, CDF, CMS, D0, H1, STAR, ZEUS)의 포함형 제트 단면적 데이터로부터 강결합 상수 αₛ(M_Z)를 추출하기 위한 통합된 통계적 프레임워크를 제시한다. 이 프레임워크는 다음 준수 주문(NLO) 양자 chromodynamics(pQCD) 예측을 기반으로 하며, 다양한 충돌기와 운동역학적 영역에서의 데이터를 통합함으로써 αₛ(M_Z)의 실험적 불확실도를 1.0%로 감소시킨다. 이는 데이터 세트 간의 일관성을 보여주며, 향후 다음 다음 준수 주문(NNLO) 추정에 기초를 마련한다.

ABSTRACT

Inclusive jet cross section measurements from the ATLAS, CDF, CMS, D0, H1, STAR, and ZEUS experiments are explored for determinations of the strong coupling constant $α_{ ext{s}}(M_{ ext{Z}})$. Various jet cross section data sets are reviewed, their consistency is examined, and the benefit of their simultaneous inclusion in the $α_{ ext{s}}(M_{ ext{Z}})$ determination is demonstrated. Different methods for the statistical analysis of these data are compared and one method is proposed for a coherent treatment of all data sets. While the presented studies are based on next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics (pQCD), they lay the groundwork for determinations of $α_{ ext{s}}(M_{ ext{Z}})$ at next-to-next-to-leading order.

연구 동기 및 목표

• 다양한 실험에서의 포함형 제트 단면적 데이터를 통합하여 αₛ(M_Z)를 추출할 수 있는 일관된 통계적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 다양한 충돌기, 중심질량 에너지, 그리고 초기 상태에서의 포함형 제트 데이터가 일관된지 평가하기 위해.
• 여러 데이터 세트를 동시에 분석하여 αₛ(M_Z)의 실험적 불확실도를 감소시키기 위해.
• 향후 pQCD에서 다음 다음 준수 주문(NNLO) 수준의 αₛ(M_Z) 추정에 기초를 마련하기 위해.
• 이론적 불확실도, 특히 재규격화 스케일 의존성의 영향이 최종 αₛ(M_Z) 추정에 어떻게 작용하는지 평가하기 위해.

제안 방법

• CMS, D0, H1 협동 연구에서 사용된 기존 αₛ(M_Z) 추정 기법의 요소를 융합하여 새로운 통계적 추정 방법을 제안하였다.
• 각 데이터 세트에 대해 이론적 단면적을 계산하기 위해 NNPDF3.0 PDF 세트를 사용한 NLO pQCD 예측을 적용하였다.
• 제트 에너지 스케일, PDF 세트, 비구속적 보정과 같은 체계적 불확실도는 모든 실험에서 일관되게 평가되었다.
• 이론적 정확도를 향상시키기 위해 비구속적 보정과 관련이 있는 경우 전자약력 보정도 포함되었다.
• CDF, CMS, D0, H1, STAR, ZEUS의 데이터에 동시에 피팅을 수행하였으며, 데이터 세트에 일관성이 없어 ATLAS는 제외되었다.
• 불확실도 예산을 실험적, PDF 세트, 스케일, 이론적 구성요소로 분해하여 각 성분의 기여도를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 여러 실험에서의 포함형 제트 단면적 데이터를 NLO pQCD 예측을 기반으로 한 단일 αₛ(M_Z) 추정에 일관되게 통합할 수 있는가?
• RQ2 단일 데이터 세트를 사용할 때와 비교해 여러 실험의 데이터를 통합함으로써 αₛ(M_Z)의 실험적 불확실도는 얼마나 감소하는가?
• RQ3 동일한 데이터 세트에 적용된 다양한 αₛ(M_Z) 추정 방법은 결과와 체계적 불확실도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다른 실험(예: pp, p̄p, ep)에서의 포함형 제트 단면적 측정치가 NLO pQCD 수준에서 얼마나 상호 일관성이 있는가?
• RQ5 현재 포함형 제트 데이터에서의 αₛ(M_Z) 추정에서 지배적인 불확실성 원인은 무엇이며, 향후 NNLO 계산으로는 어떻게 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• CDF, CMS, D0, H1, STAR, ZEUS 데이터에 대한 동시에 피팅을 통해 αₛ(M_Z)의 실험적 불확실도가 1.0%로 감소하였으며, 이는 가장 정밀한 단일 데이터 세트를 사용할 때의 1.9%에서 감소한 것이다.
• 추정된 αₛ(M_Z) 값은 0.1192이며, 총 불확실도는 재규격화 스케일 의존성에 의해 주로 결정되며, 이는 다른 개별 불확실도보다 3배 이상 크다.
• 모든 선택된 데이터 세트는 αₛ(M_Z) = 0.1192인 NLO pQCD 예측에 잘 맞아떨어지며, 실험 간 및 운동역학 영역 간의 양호한 일관성을 나타낸다.
• 개별 데이터 세트의 결과는互い에 일관되며, 세계 평균값과도 일치하며, 뚜렷한 긴장이 관찰되지 않았다.
• ATLAS 데이터 세트는 일관성이 없어 공동 피팅에서 제외되었지만, 별도의 피팅 결과는 유사한 값을 보였다.
• 이 연구는 향후 NNLO 수준의 αₛ(M_Z) 추정을 위한 견고한 프레임워크를 구축하였으며, 비구속적 보정을 일관되게 재평가할 것을 제안한다.