[논문 리뷰] New CTEQ Global Analysis with High Precision Data from the LHC

Tie-Jiun Hou, Keping Xie외 11명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 8인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고정밀 LHC 데이터(예: W/Z, Drell-Yan, 제트, 탑 쿼크 쌍 생성 포함)를 포함한 NNLO QCD 정밀도에서 CT18 및 CT18Z 글로벌 파arton 분포 함수(PDF) 피팅을 제시한다. 분석은 쿼크 및 글루온 PDF에 대한 제약 조건을 향상시키며, 특히 소규모 x 영역에서의 해성 쿼크 비율에 대한 불확실성을 감소시키고, 소규모 x 영역에서 스트랭전 해성에 대해 SU(3) 대칭성을 강제한다. 또한 ATLAS 7 TeV W/Z 데이터에서 발생하는 갈등을 해결하기 위해 별도의 CT18Z 피팅을 수행한다.

ABSTRACT

We present the new CTEQ-TEA global analysis of quantum chromodynamics (QCD). In this analysis, parton distribution functions (PDFs) of the nucleon are determined within the Hessian method at the next-to-next-to leading order (NNLO) in perturbative QCD, based on the most recent measurements from the Large Hadron Collider (LHC) and a variety of world collider data. Because of difficulties in fitting both the ATLAS 7 and 8 TeV $W$ and $Z$ vector boson production cross section data, we present two families of PDFs, named CT18 and CT18$Z$ PDFs, respectively, without and with the ATLAS 7 TeV $W$ and $Z$ measurements. We study the impact of the CT18 family of PDFs on the theoretical predictions of standard candle cross sections at the LHC.

연구 동기 및 목표

• ATLAS, CMS 및 LHCb의 고정밀 LHC 데이터를 바탕으로 글로벌 PDF 분석을 업데이트하여 파톤 분포 함수의 제약 조건을 향상시키기.
• ATLAS 7 TeV W 및 Z 빠르기 분포에서 발생하는 갈등을 해결하기 위해, 이 데이터를 포함하지 않은 별도의 CT18Z 피팅을 도입하기.
• 낮은 데이터 영역에서의 파arametrization 편향을 줄이기 위해 새로운 민감한 PDF 형식을 테스트하고, 낮은 데이터 영역에 라그랑주 승수 제약 조건을 적용하기.
• 소규모 x 영역에서 스트랭전 해성 쿼크 PDF에 대해 정확한 SU(3) 플레이버 대칭성을 강제하기 위해 비양자역학적 파arametrization 형식을 수정하기.
• NNLO 이론 예측을 사용하여, 13 TeV LHC에서 표준 캔들 단면적에 대한 업데이트된 PDF의 영향을 평가하기.

제안 방법

• 30개의 후보 LHC 데이터 세트와 테바트론 및 HERA의 유산 데이터를 사용하여 NNLO QCD에서 글로벌 헤시안 PDF 피팅을 수행한다.
• 빠른 보간 표(예: NLO ApplGrid)와 fastNNLO 격자를 사용하여 NNLO 이론 예측을 적용하고, 탑 쿼크 및 제트 과정에 대한 예측을 빠르게 처리한다.
• 약한 데이터 제약 조건이 존재하는 운동역학적 영역에서 PDF를 제약하기 위해 라그랑주 승수 스캔을 적용하여 물리적 일관성을 확보한다.
• NNLO 단면적에서 몬테카를로 적분 불확실성을 반영하기 위해 0.5%의 상관관계가 없는 수치 오차를 포함한다.
• SU(3) 대칭성을 강제하기 위해 스트랭전 해성 PDF에 대한 새로운 파arametrization 형식을 도입하여, x → 0 일 때 (s+\bar{s})/(\bar{u}+\bar{d}) → 1 이 되도록 보장한다.
• 두 개의 PDF 세트를 구축한다: CT18(예외적으로 ATLAS 7 TeV W/Z 데이터를 포함하지 않음) 및 CT18Z(이 데이터를 포함하고 파aram터를 수정함), 데이터 갈등을 평가하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS, CMS 및 LHCb의 고정밀 LHC 데이터는 이전 글로벌 피팅에 비해 파톤 분포 함수에 대해 어떤 방식으로 제약 조건을 향상시키는가?
• RQ2 ATLAS 7 TeV W 및 Z 빠르기 분포 데이터를 포함하거나 제외할 경우, 결과 PDF의 불확실성과 중심값에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 업데이트된 파arametrization 형식과 SU(3) 대칭성 강제 조건이 소규모 x 영역에서 스트랭전 및 해성 쿼크 PDF 비율의 불확실성을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 CT18 및 CT18Z PDF 세트는 13 TeV LHC에서 표준 캔들 과정에 대한 이론적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 라그랑주 승수 스캔은 데이터 민감도가 낮은 운동역학적 영역에서 PDF 불확실성을 식별하고 제약 조건을 어떻게 설정하는가?

주요 결과

• CT18 PDF 세트는 CT14HERA2에 비해 x < 10⁻³ 영역에서 d/u 비율의 불확실성을 감소시키며, 파arametrization 형식과 일치하는 중심값을 유지한다.
• 소규모 x 영역에서, 특히 x ~ 0.1 근처에서 반-다운 해성 쿼크와 반-업 해성 쿼크의 비율 \bar{d}/\bar{u}의 불확실성이 크게 감소한다.
• CT18 PDF는 스트랭전 해성에 대해 정확한 SU(3) 플레이버 대칭성을 강제하여, x → 0 일 때 비율 (s+\bar{s})/(\bar{u}+\bar{d}) 가 점점 1에 수렴하게 된다. 이는 CT14HERA2에서 x = 10⁻⁶일 때 약 0.6이었던 것과 대비된다.
• ATLAS 7 TeV W/Z 데이터를 포함한 CT18Z 피팅은 CT18에 비해 χ²/Npt = 1.19로 높아져 데이터 세트 내 갈등을 나타낸다.
• 라그랑주 승수 스캔 결과, x = 0.01 및 Q = 125 GeV에서 글루온 PDF는 고정밀 제트 및 Drell-Yan 데이터에 의해 가장 강하게 제약을 받는다. 반면, 소규모 x 영역에서 s+\bar{s} 대 \bar{u}+\bar{d} 비율은 Drell-Yan 및 W/Z 데이터에 가장 민감하다.
• CT18 PDF는 소규모 x 해성 쿼크에 대한 더 강한 제약 조건 덕분에, 특히 고질량 및 고-pT 영역에서 13 TeV LHC에서의 PDF 루미너시에 대해 더 정밀한 예측을 제공한다.