[논문 리뷰] Parton Distributions and QCD at LHCb

R. S. Thorne, A. D. Martin외 2명|ArXiv.org|2008. 08. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 LHCb의 고속도 측정치가 x < 0.001에서의 소규모-x 파트론 분포 함수(PDF)에 대해 고유한 민감도를 제공함을 보여준다. 특히, x < 0.001에서의 복사 및 해류 쿼크에 대해 그렇다. W/Z 및 가상 포톤 생성 단면적과 비율을 분석함으로써, 초기 LHCb 데이터는 PDF의 불확실성을 제약하고, 양자 색역학의 고차수 수렴성을 테스트하며, 고차수 계산의 실패나 소규모-x 재결합 효과를 드러낼 수 있다.

ABSTRACT

We consider the impact that can be made on our understanding of parton distributions (PDFs) and QCD from early measurements at the LHCb experiment. The high rapidity values make the experiment uniquely suited to a detailed study of small-x parton distributions and hence will make a significant contribution towards the clarification of both experimental and theoretical uncertainties on PDFs and their applications.

연구 동기 및 목표

• 초기 LHCb 데이터가 소규모-x 파트론 분포 함수(PDF)의 불확실성을 줄이는 데의 잠재력을 평가하는 것.
• W, Z 및 가상 포톤 생성의 고속도 측정치가 고차수 양자 색역학 계산의 타당성을 테스트하는 데 어떻게 기여할 수 있는지 평가하는 것.
• 측정치와 예측치 사이의 격리가 소규모-x 재결합 또는 포화 효과가 PDF 추출에 필요함을 시사할 수 있는지 조사하는 것.
• 단일 쿼크의 복사 분포 및 글루온 PDF에 대한 LHCb의 민감도를 단면적 비율과 총 단면적으로 평가하는 것.
• 저질량 Drell-Yan 측정치가 소작은 x에서의 고차수 양자 색역학 급수의 불안정성을 드러낼 수 있는지 탐색하는 것.

제안 방법

• 특히 x ~ 0.0001에서의 소규모-x 파트론 분포를 접근하기 위해 고속도 영역(1.8 < y < 4.9)을 활용한다.
• 간단화된 근사: q1(x1)̄q2(x2) ≈ q1(x1)̄q2(x2), 그리고 소작은 x2에서 ū(x2) ≈ d̄(x2)를 사용하여 단면적 비율에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 단면적 비율 RZ/W ≈ [Au u(x̃1) + Ad d(x̃1)] / [u(x1) + d(x1)] 및 R± ≈ d(x1)/u(x1)를 유도하며, Au, Ad는 벡터 및 액시얼-벡터 결합에 기반한다.
• 총 단면적을 다음과 같이 모델링한다: σW⁺ ≈ u(x1) d̄(x2), σW⁻ ≈ d(x1) ū(x2), σZ ≈ Au u(x1) ū(x2) + Ad d(x1) d̄(x2), σγ* ≈ (4/9)u(x1) ū(x2) + (1/9)d(x1) d̄(x2).
• MSTW 2007 PDF를 사용하여 불확실성을 평가하고, 고속도에서의 단면적 예측에 미치는 영향을 평가한다.
• 고정 순서 양자 색역학의 실패 가능성을 테스트하기 위해 5%의 y에 의존하는 이동을 가진 가짜 데이터를 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb의 고속도 측정치가 소규모-x 파트론 분포 함수의 불확실성을 상당히 줄일 수 있는가?
• RQ2 LHCb 데이터와 NLO 예측치 사이의 격리가 소규모-x 재결합 또는 포화 효과가 필요함을 시사하는 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 고속도에서 W⁺/W⁻ 및 Z 생성 단면적 비율은 고속도에서의 다운 쿼크 복사 분포에 얼마나 민감한가?
• RQ4 LHCb에서의 저질량 Drell-Yan 생성 측정치는 소작은 x에서의 고차수 양자 색역학 급수의 불안정성을 드러낼 수 있는가?
• RQ5 초기 LHCb 데이터는 가상 포톤 단면적 측정을 통해 글루온 PDF에 어떤 제약을 가질 수 있는가?

주요 결과

• 1 fb⁻¹의 데이터로 LHCb는 0.1-y 구간에서 dσZ/dy에 대해 약 1%의 정밀도를 확보할 수 있으며, 이는 소규모-x 쿼크 및 글루온의 민감한 탐색을 가능하게 한다.
• 가짜 데이터에 5%의 y에 의존하는 이동을 가하면 낮은 적합도(χ² = 103/30)를 보이며, 고정 순서 양자 색역학 이론의 실패 가능성을 시사하고, 소규모-x 재결합의 중요성을 시사한다.
• 고속도에서 σW⁻의 불확실성은 고속도 다운 쿼크 분포에 의해 주로 결정되며, 이는 dV(x,Q²)의 핵심 탐색 도구가 된다.
• 저질량 Drell-Yan 측정치(예: Mγ* = 14 GeV)는 특히 다수의 질량 구간을 사용할 경우 Z 생성보다 소규모-x PDF를 더 효과적으로 제약할 수 있다.
• Mγ* < 20 GeV에 대한 고차수 급수는 LO에서 NLO, NNLO로 갈수록 상당한 변동을 보이며, 이는 불안정성과 재결합의 필요성을 시사한다.
• 저질량에서의 dσγ*/dy 측정치는 소규모-x 쿼크가 글루온 진화에 의해 주도되므로 글루온 PDF에 강력한 제약을 가한다.