[논문 리뷰] Impact of inclusive hadron production data on nuclear gluon PDFs

nCTEQ Collaboration, Duwent\"aster, P.외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 100인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 핵분포함수(nPDF)의 nCTEQ15 글로벌 피팅을 확장하여 RHIC(PHENIX, STAR) 및 LHC(ALICE)의 단일 포함형 입자(SIH) 생성 데이터를 통합함으로써, 소규모 x 영역에서 핵성 글루온 PDF에 대한 제약 조건을 크게 향상시켰다. 새로운 nCTEQ++ 프레임워크를 사용하여 사전 계산된 격자와 다수의 분열 함수를 적용한 연구는 SIH 데이터가 핵성 글루온 분포의 불확실성을 줄이며, 특히 소규모 x 영역에서 효과적인 결과를 도출함을 보여주었고, 분열 함수의 변동에 대해서도 결과의 강건성을 입증하였다.

ABSTRACT

A precise knowledge of nuclear parton distribution functions (nPDFs) is -- among other things -- important for the unambiguous interpretation of hard process data taken in pA and AA collisions at the Relativistic Heavy Ion Collider (RHIC) and the Large Hadron Collider (LHC). The available fixed target data for deep inelastic scattering (DIS) and Drell-Yan (DY) lepton pair production mainly constrain the light quark distributions. It is hence crucial to include more and more collider data in global analyses of nPDFs in order to better pin down the different parton flavors, in particular the gluon distribution at small x. To help constrain the nuclear gluon PDF, we extend the nCTEQ15 analysis by including single inclusive hadron (SIH) production data from RHIC (PHENIX and STAR) and LHC (ALICE). In addition to the DIS, DY and SIH data sets, we will also include LHC W/Z production data. As the SIH calculation is dependent on hadronic fragmentation functions (FFs), we use a variety of FFs available in the literature to properly estimate this source of uncertainty. We study the impact of these data on the PDFs, and compare with both the nCTEQ15 and nCTEQ15WZ sets. The calculations are performed using a new implementation of the nCTEQ code (nCTEQ++) including a modified version of INCNLO which allows faster calculations using pre-computed grids. The extension of the nCTEQ15 analysis to include the SIH data represents an important step toward the next generation of PDFs.

연구 동기 및 목표

• RHIC 및 LHC의 단일 포함형 입자(SIH) 생성 데이터를 통합하여 소규모 x 영역에서 핵성 글루온 PDF에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• 글로벌 nPDF 피팅에서 분열 함수(FF)의 불확실성 영향이 핵성 글루온 PDF 추출에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 기존의 DIS, Drell-Yan, W/Z 생성 데이터와 함께 SIH 데이터를 통합하여 nCTEQ15 글로벌 분석을 확장하기 위해.
• 다양한 분열 함수 세트를 테스트하고 스케일 불확실성을 평가하여 nPDF 피팅의 강건성을 검증하기 위해.
• 관측된 핵 효과가 SIH 데이터에서 냉각 핵물질의 초기 상태 수정과 일관되며, 최종 상태의 입자 분열에 의존하지 않는지를 입증하기 위해.

제안 방법

• nCTEQ++ 프레임워크를 사용하였으며, INCNLO의 수정된 버전과 사전 계산된 격자를 통해 PDF 피팅 계산 속도를 향상시켰다.
• √sNN = 200 GeV(RHIC) 및 5.02 TeV(LHC)에서의 p+Pb 충돌에서의 SIH 생성 데이터를 포함하였으며, π⁰, η 및 충전된 입자들을 포함하였다.
• 이론적 불확실성을 분열 채널에서 정량화하기 위해 DSS, Kretzer, AKK, NNPDF 및 기타 여러 분열 함수를 사용하였다.
• 분열 함수의 스케일 불확실성을 포함하고, 최종 nPDF 피팅에 미치는 영향을 평가하였다.
• Hessian 기반 불확실성 방법을 사용하여 피팅을 수행하였으며, 실험적 시스템적 오차를 반영하기 위해 데이터 정규화 파rameter를 동시에 피팅하였다.
• 결과는 nCTEQ15 및 nCTEQ15WZ 글로벌 피팅과 비교하여 글루온 PDF 제약 조건 향상 여부를 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 RHIC 및 LHC의 단일 포함형 입자 생성 데이터는 소규모 x 영역에서 핵성 글루온 PDF에 어떤 방식으로 제약 조건을 향상시키는가?
• RQ2 분열 함수의 불확실성이 핵성 글루온 PDF 추출에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 SIH 데이터에서 관측된 핵 효과는 최종 상태의 입자 분열에 영향을 받지 않고 냉각 핵물질의 초기 상태 수정과 일관되는가?
• RQ4 SIH 데이터 통합 및 분열 함수의 변동은 nPDF의 전체 적합도와 불확실성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 pT 및 중심 질량 에너지에서 p+Pb → π⁰ + X 반응의 총 단면적에서 글루온 기반 반응의 상대 기여는 얼마인가?

주요 결과

• RHIC 및 LHC의 SIH 데이터는 소규모 x 영역, 특히 0.01 < x < 0.1 범위에서 핵성 글루온 PDF의 불확실성을 크게 감소시켰다.
• p+Pb → π⁰ + X 반응에서 글루온 기여는 저~중간 pT 영역에서 지배적이며, √sNN = 200 GeV에서 약 60–70%에 이르고, 5 TeV에서는 80%를 초월한다.
• SIH 데이터 통합은 특히 반그림자 영역에서 핵성 글루온 PDF에 눈에 띄는 이동을 유도하였으며, 글로벌 피팅 품질을 향상시켰다.
• 분열 함수 불확실성의 영향은 작았으며, 다양한 FF 세트 간의 변동이 불확실성 내에서 일관된 결과를 도출하였다.
• 분열 함수의 변동에 대해 SIH 데이터에서 관측된 핵 효과가 강건함을 확인하였으며, 이는 이러한 효과가 초기 상태 수정과 일관됨을 지지한다.
• 새로운 nCTEQ++ 프레임워크는 더 빠르고 안정적인 글로벌 피팅을 가능하게 하여, 향후 nPDF 글로벌 분석에서 SIH 데이터 통합의 실현 가능성을 높였다.