[논문 리뷰] Parton densities from LHC vector boson production at small and large transverse momenta

Matthias Brandt, Michael Klasen|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 11인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 √s = 7, 8, 14 TeV에서 고가속도의 벡터 보손 생성(위성/직경 보손)을 이용해 양성자 파르톤 분포 함수(PDFs)에 대한 제약 조건을 향상시키는 것을 제안한다. 특히 고운동량 분율 x에서의 글루온 PDF에 초점을 맞춘다. 이 과정는 고pT에서 쿼크-글루온 산란(QCD 컴프턴 유사)에 의해 지배되며, NLO 및 소프트 글루온 재결합을 통해 신뢰할 수 있는 이론 예측이 가능하다. 고pT에서의 LHC 데이터는 테바트론 Z 보손 데이터에 적합된 비추상적 매개변수를 사용한 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 기존 피팅이 재피팅 없이 새로운 LHC 데이터를 설명할 수 있음을 시사한다. 또한 이러한 데이터는 향후 글로벌 PDF 피팅에 포함되어 고x 영역에서 글루온 PDF를 더 잘 제약할 수 있다.

ABSTRACT

The parton densities of the proton are of fundamental importance not only for our description of hadronic and nuclear structure, but also for reliable predictions for new heavy particle searches at colliders. At the large partonic momentum fractions required for the production of these particles, the parton distribution functions, in particular the one of the gluon, are unfortunately still badly constrained. In this paper, we investigate the possibility to improve on their determination with new data coming from electroweak vector boson production at large transverse momenta at the LHC with center-of-mass energies of 7, 8 or 14 TeV. We demonstrate that this process is dominated by quark-gluon scattering, that theoretical predictions can be reliably made on the basis of next-to-leading order perturbation theory and its resummation, and that these data should thus be used in global fits. We also point out that the non-perturbative parameters determined from Tevatron run-1 Z-boson data at low p_T describe very well the new LHC data at \sqrt{s}=7 TeV.

연구 동기 및 목표

• 현재 지식이 부족한 고운동량 분율 x에서의 글루온 PDF에 대한 제약 조건을 향상시키기 위해.
• LHC에서 고가속도의 W/Z 보손 생성이 고x 영역에서의 글루온 PDF에 대한 신뢰할 수 있는 탐사 수단이 될 수 있는지 조사하기 위해.
• 이 과정에 대한 예측의 이론적 신뢰성을 다음 준수 순서(NLO) 및 소프트 글루온 재결합 기법을 통해 평가하기 위해.
• 테바트론 Z 보손 데이터로부터 유도된 비추상적 매개변수들이 √s = 7 TeV에서의 새로운 LHC 데이터를 재피팅 없이 잘 설명할 수 있는지 평가하기 위해.
• 향후 글로벌 PDF 피팅에 고pT 벡터 보손 데이터를 포함시켜 PDF 정밀도를 향상시키기 위해 권장하기 위해.

제안 방법

• W/Z 보손 생성에 대한 이론적 단면적은 다음 준수 순서(NLO) 양성자 강한 상호작용 이론과 다음 준수 로그(NLL) 수준의 소프트 글루온 재결합을 사용하여 계산된다.
• 분석은 주로 고pT 영역에서 쿼크-글루온 산란가 지배하는 벡터 보손 생성의 가속도(pT) 및 빠르기(y) 의존성에 집중한다.
• 파트론의 운동량 분율 x1 및 x2는 벡터 보손의 진동 질량과 빠르기로부터 유도되며, 빠르기 의존성이 지수적으로 작용하여 비대칭 x 영역를 탐색한다.
• 비추상적 효과는 함수 W~NPj¯k(b,Q,Q0,x1,x2)를 사용하여 모델링되며, 매개변수 g1, g2, g3는 테바트론 런-1 Z 보손 데이터에 적합된다.
• 이론적 예측은 √s = 7 TeV에서 Z 및 W 보손 생성에 대한 공개된 CMS 및 ATLAS 데이터와 비교되며, 다양한 pT 및 빠르기 영역에 걸쳐 이루어진다.
• CT10, MSTW08, NNPDF2.1의 PDF 불확실성 밴드가 평가되고 데이터와 비교되며, 특히 불확실성이 가장 큰 전방 빠르기 영역에서 중점적으로 분석된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 고가속도의 벡터 보손 생성이 고x 영역에서의 글루온 PDF에 대한 제약 조건을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 고pT에서의 벡터 보손 생성에서 QCD 컴프턴 과정(qg → qZ*/W*)이 지배적이며, 글루온 PDF에 대한 민감도를 제공하는가?
• RQ3 NLO 및 소프트 글루온 재결합의 상호작용를 고려할 때, 이 과정에 대한 이론적 예측이 고pT에서 신뢰할 수 있는가?
• RQ4 테바트론 Z 보손 데이터로부터 유도된 비추상적 매개변수들이 √s = 7 TeV에서의 새로운 LHC 데이터를 재피팅 없이 잘 설명할 수 있는가?
• RQ5 LHC의 고pT 벡터 보손 데이터는 글로벌 PDF 피팅, 특히 전방 빠르기 영역에서 얼마나 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• 가속도가 약 20 GeV를 초과하는 영역에서, LHC에서의 벡터 보손 생성은 쿼크-글루온 산란 과정(QCD 컴프턴 유사)에 의해 지배되며, 이는 글루온 PDF에 매우 민감하다.
• NLO 및 소프트 글루온 재결합을 사용한 이론적 예측은 √s = 7 TeV에서 Z 및 W 보손 생성에 대해 pT가 각각 600 GeV 및 300 GeV 이하에서 CMS 및 ATLAS 데이터와 양호한 일치를 보인다.
• 테바트론 런-1 Z 보손 데이터로부터 유도된 비추상적 매개변수는 √s = 7 TeV에서의 정규화된 LHC 데이터를 매우 잘 기술하며, 이는 현재 단계에서 재피팅이 필요하지 않음을 시사한다.
• 전방 빠르기 영역(|y| ∈ [2;3])에서의 PDF 불확실성은 매우 크며, 최대 두 배까지 도달함을 시사하며, 이러한 측정치가 이러한 불확실성을 줄이는 데 잠재적 임무를 가짐을 보여준다.
• CT10, MSTW08, NNPDF2.1의 불확실성 밴드의 종합 범위는 CT10 단독 밴드보다 더 넓으며, 이는 이 과정가 PDF 변화에 매우 민감함을 보이며 글로벌 피팅에 있어 가치가 있음을 증명한다.
• 고pT에서의 이론적 스케일 불확실성은 여전히 작게 유지되며, 향후 8 및 14 TeV에서의 글로벌 PDF 분석에 대한 예측의 신뢰성을 뒷받침한다.