[논문 리뷰] Doped Parton Distributions

Valerio Bertone, Stefano Carrazza외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 14.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 3인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 다섯 페르미온 스킴(5FS)의 정확한 강한 상호작용 커플링 상수 running과 네 페르미온 스킴(4FS)의 바텀 쿼크 질량 처리 방식을 융합한 도핑된 파트론 분포(pdf) 스킴을 소개한다. 이는 루프에서 바텀 쿼크를 포함하는 과정에 대한 LHC 현상학 예측을 향상시킨다. NNPDF3.0 전 세계 피팅을 사용하여, 도핑된 스킴이 4FS나 5FS만을 사용할 때보다 중간이고 더 일관된 예측을 도출함을 보여주며, 특히 다중 레그 과정에서 그러한 경향이 두드러진다. 또한 7 테바론에서 ATLAS 및 CMS의 Z+b-제트 생성 데이터와 더 나은 일치를 보인다.

ABSTRACT

Calculations of high-energy processes involving the production of b-quarks are typically performed in two different ways, the massive four-flavour scheme (4FS) and the massless five-flavour scheme (5FS). For processes where the combination of the 4FS and 5FS results into a matched calculation is technically difficult, it is possible to define a hybrid scheme known as the doped scheme, where above the b-quark threshold the strong coupling runs with $n_f=5$, as in the massless calculation, while the DGLAP splitting functions are those of the $n_f=4$ scheme. In this contribution we present NNPDF3.0 PDF sets in this doped scheme, compare them with the corresponding 4FS and 5FS sets, and discuss their relevance for LHC phenomenology.

연구 동기 및 목표

• 바텀 쿼크 임계값 이상에서 αs(Q)가 4FS에서 정확하게 진화되지 않는 문제를 해결하기 위해.
• 4FS에서의 물리적 바텀 쿼크 질량 효과 처리 방식을 유지하면서도 5FS의 정확한 αs(Q) 러닝을 활용하는 하이브리드 스킴을 개발하기 위해.
• 특히 보어 수준에서 αs의 고차항을 포함하는 고중량 쿼크 과정에 대한 LHC 과정의 예측을 향상시키기 위해.
• 특히 Z+b-제트 및 W/Z+bb 생성에 대해 실험 데이터와의 일치도를 검증하기 위해.
• LHAPDF6에서 사용 가능한 공개용 NNPDF3.0 PDF를 도핑된 스킴에 맞게 제공하기 위해.

제안 방법

• DGLAP 방정식을 사용하여, Q² = m_b²에서부터 NNPDF3.0 n_f=5 전 세계 피팅을 4FS의 분열 함수와 5FS의 β-함수를 사용해 n_f=4로 진화시키며 도핑된 PDF 세트를 구성한다.
• APFEL 프로그램을 사용하여 분열 함수와 αs 러닝을 일관되게 처리하는 절삭된 DGLAP 진화를 수행한다.
• 유한 순서에서 4FS와 5FS 간의 αs(Q) 차이를 부분적 행렬 원소에서 순서별로 빼내어, 도핑된 스킴이 유한 순서에서 4FS와 일관성을 회복하도록 한다.
• NLO 및 NNLO 수준에서 도핑된 PDF를 4FS 및 5FS 세트와 비교하며, 다양한 x 및 Q 값에서 양성자 및 경량 쿼크 PDF에 중점을 둔다.
• Sherpa + OpenLoops를 사용하여 √s = 7 테바론에서 W/Z + bb 생성에 대한 몬테카를로 시뮬레이션에서 도핑된 스킴을 검증한다.
• Z + b-제트 생성의 미분 분포에 대해 ATLAS 및 CMS 데이터와의 일치도를 평가하기 위해 예측을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5FS의 αs 러닝과 4FS의 DGLAP 진화를 융합한 하이브리드 스킴이 단독으로 사용되는 4FS나 5FS보다 LHC 바텀 쿼크 과정의 정확도를 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 도핑된 PDF는 4FS 및 5FS PDF와 비교해 진화 방식에서 어떤 차이를 보이는가? 특히 소규모 x와 대규모 x에서의 차이를 중심으로.
• RQ3 Z + b-제트 및 W/Z + bb 생성에 대해 도핑된 스킴이 이론과 LHC 데이터 간의 격차를 어느 정도 줄이는가?
• RQ4 다중 레그 과정에서 도핑된 스킴이 4FS보다 αs(Q) 러닝과 콜린어 로그의 병합 효과를 더 잘 고려하는가?
• RQ5 도핑된 스킴은 전 세계 PDF 피팅에서 일관되게 적용 가능하며 자동화된 NLO 도구에서 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?

주요 결과

• 고에너지 스케일(Q ~ 10 GeV에서 10 TeV로)에서 도핑된 스킴은 4FS 대비 αs(Q)가 약 3–6% 증가하여 고차 αs 과정에서의 단면적 감소를 줄인다.
• 소규모 x에서 도핑된 양성자 PDF는 고에너지 스케일에서 더 큰 αs(Q) 덕분에 4FS보다 더 급격히 증가하며, 5FS의 행동에 가까워진다.
• 대규모 x에서 도핑된 PDF는 4FS와 5FS 사이에 위치하며, 경량 쿼크의 경우 몇 퍼센트의 차이를 보인다.
• Wb̄b 및 Zb̄b 생성에 대해 도핑된 스킴은 4FS와 5FS 사이의 중간적인 미분 분포를 도출하며, 이는 단독으로 사용된 4FS나 5FS보다 실험 데이터와 더 나은 일치를 이룬다.
• Z + b-제트 생성에서 도핑된 스킴은 ATLAS 데이터의 정규화 및 형태를 잘 재현하며, 4FS는 정규화를 과소평가한다.
• t̄tb̄b 생성에서 도핑된 스킴은 일관된 αs(Q) 러닝을 통해 μR/m_b 로그의 누적 효과를 반영함으로써 4FS 대비 총 NLO 단면적을 거의 10% 증가시킨다.