[논문 리뷰] Parton Distributions and the LHC: W and Z Production

A. D. Martin, Richard G. Roberts외 2명|arXiv (Cornell University)|1999. 07. 05.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서 W 및 Z 보손 생성 단면적의 PDF(구성입자 분포 함수), 강한 상호작용 상수 αₛ, 해 쿼크 분포에 대한 불확실성에 대한 민감도를 조사한다. MRST99 PDF 세트를 사용하여, 특히 구형 및 해 쿼크 분포에서 기인하는 PDF 불확실성이 단면적 예측에 작은 비중이지만 무시할 수 없는 변동을 유도함을 보여주며, W/Z 측정치가 PDF 및 그 진화를 제약하는 데 강력한 도구가 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

W and Z bosons will be produced copiously at the LHC proton-proton collider. We study the parton distribution dependence of the total production cross sections and rapidity distributions, paying particular attention to the uncertainties arising from uncertainties in the parton distributions themselves. Variations in the gluon, the strong coupling, the sea quarks and the overall normalisation are shown to lead to small but non-negligible variations in the cross section predictions. Ultimately, therefore, the measurement of these cross sections will provide a powerful cross check on our knowledge of parton distributions and their evolution.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 W 및 Z 보손 생성 단면적에 대한 구성입자 분포 함수(PDF) 불확실성의 영향을 평가하기 위해.
• 글루온, 해 쿼크, 강한 상호작용 상수 분포의 변동이 이론적 예측에 어떤 영향을 미치는지 정량화하기 위해.
• LHC에서의 W/Z 측정치가 PDF 지식 및 진화에 대한 교차 확인 도구로 활용될 잠재력을 평가하기 위해.
• MRST99 PDF 세트와 CTEQ5 세트를 비교하여 고 Q²에서의 해 쿼크 및 글루온 함량의 차이를 부각하기 위해.
• 신규 MRST99 세트에서 PDF 진화 및 운동량 합 규칙 보존에 있어 수치 정밀도를 확보하기 위해.

제안 방법

• 구성입자 분포에 대한 MRST99 전역 피팅을 사용하며, ZEUS 1995 SVX 데이터 및 더 높은 채르모 쿼크 질량(1.43 GeV)을 포함한 업데이트된 데이터를 통합한다.
• DGLAP 진화 방정식을 $\overline{\rm MS}$ 체계에서 사용하여 PDF를 $Q_0^2 = 1$ GeV²에서 LHC 스케일의 $Q^2$ 값으로 진화시킨다.
• 핵심 매개변수를 체계적으로 변형하여 별도의 PDF 세트를 생성한다: 글루온 분포( $\langle k_T \rangle$ 를 통한), $\alpha_S(M_Z^2)$, 총 정규화를 변경한다.
• NLO QCD 및 알려진 전자약력 매개변수를 사용하여 $\sqrt{s} = 14$ TeV에서 W 및 Z 생성의 총 단면적 및 빠르도-차별 단면적을 계산한다.
• MRST99, CTEQ5M, CTEQ5HQ PDF 세트 간의 결과를 비교하여 일관성을 평가하고 이질성을 특정한다.
• 각 구성입자 종류에 대해 $\int x f_i(x,Q^2) dx$ 를 수치적으로 통합하여 $Q^2$ 진화 동안 운동량 합 규칙 보존 여부를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고체 및 해 쿼크 분포의 불확실성이 LHC에서 W 및 Z 보손 단면적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 $\alpha_S$ 및 총 정규화의 변동이 예측된 단면적에 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ3 고 $Q^2$ 에서 MRST99 PDF 세트와 CTEQ5 세트의 해 쿼크 및 글루온 함량 측면에서 어떤 차이가 있는가?
• RQ4 LHC에서의 W 및 Z 생성 측정치가 PDF 불확실성에 대한 의미 있는 제약을 제공할 수 있는가?
• RQ5 MRST99 PDF 진화에서 $Q^2$ 전역에 걸쳐 운동량 보존이 어느 정도 유지되는가?

주요 결과

• MRST99 PDF 세트는 MRST98 대비 향상된 운동량 보존을 보이며, $Q^2 = 10^4$ GeV²에서 총 운동량 분율이 1에서 0.5% 이내로 벗어나지 않는다.
• $Q^2 = 10^4$ GeV²에서 MRST99 글루온 분포는 CTEQ5M보다 약 1.5% 낮고, CTEQ5HQ보다 1.2% 낮다.
• 고 $Q^2 \sim 10^4$ GeV²에서 MRST99 해 쿼크 분포는 CTEQ5M보다 1–4% 낮으며, 특히 $u$ 및 $d$ 해 쿼크에서 가장 큰 이질성이 나타난다.
• 고 $x$ 영역에서 글루온 분포 및 $\alpha_S$ 의 변동은 W 및 Z 생성에 대해 약 ±3–5% 수준의 단면적 불확실성을 유도한다.
• MRST99에 ZEUS 1995 SVX 데이터 및 더 높은 채르모 쿼크 질량(1.43 GeV)을 포함시킴으로써 $F_2$ 채르모 구조함수 데이터의 기술이 향상된다.
• MRST99 코드는 표준 DGLAP 진화를 재현하며, $Q^2$ 진화 전반에 걸쳐 정확한 운동량 보존과 일관성을 유지한다.