[논문 리뷰] Progress in the CTEQ-TEA NNLO global QCD analysis

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

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 최신 LHC 데이터와 레거시 측정치를 종합적으로 분석하여 양성자에 대한 다음다음선도순서(NNLO) 전반분포함수(PDFs)인 CT18 가족을 제시한다. 히세인 방법을 사용하여 이론적 가정의 다양성에 따라 데이터 간 불일치, 스케일 선택, 매개변수화 편향 등에 기인한 불확실성을 정량화하기 위해 네 가지의 PDF 집합—CT18, CT18A, CT18X, CT18Z—을 도입하였으며, CT18는 LHC 물리 응용의 기본 집합으로 사용된다.

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 four families of (N)NLO CTEQ-TEA PDFs, named CT18, A, X and Z PDFs, respectively. 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

• 최신 실험 데이터를 활용하여 양성자에 대한 다음다음선도순서(NNLO) 전반분포함수(PDFs)의 새로운 세대를 개발하기 위해.
• 특히 ATLAS 7 TeV W/Z 빠르기 분포와 깊은 비탄성산란(DIS) 데이터 간의 불일치 문제를 해결하기 위해, 대체 PDF 집합을 도입하기 위해.
• 베르누아 다항식을 사용하여 90개 이상의 다양한 함수 형태를 시험함으로써 매개변수화 편향을 최소화하기 위해.
• NNLO 예측과 K-요인, fastNNLO 격자 등을 통합하여 이론적 정확도를 향상시키고 스케일 및 고차항 불확실성을 평가하기 위해.
• LHC 물리 및 새로운 물리 현상 탐색에서 견고한 불확실성 정량화를 위해 공개 가능한 포괄적인 PDF 집합(CT18)과 세 가지 보완적 집합(A, X, Z)을 제공하기 위해.

제안 방법

• 30개 이상의 LHC 데이터 세트(예: W/Z, Drell-Yan, 제트, 쿼크 쌍 생성 등)를 포함한 글로벌 피팅을 통해 Hessian 방법을 활용해 NNLO PDF를 도출하였다.
• APPLGrid와 fastNNLO 격자를 사용하여 점별 NNLO 보정을 적용한 NLO 횡단단면을 효율적으로 계산하였으며, 공개된 표와의 일치를 검증하였다.
• PDFSense와 ePump 프로그램을 활용해 데이터 영향을 사전 선별하고, 전체 피팅 이전에 가장 제약력 있는 실험을 선별하였다.
• NNLO 횡단단면의 몬테카를로 적분 오차를 반영하기 위해 0.5%의 상관관계가 없는 수치적 불확실성을 포함시켰다.
• 물리적 일관성을 유지하기 위해, 잘 제약되지 않은 운동량 영역에서 PDF를 제약하기 위해 라그랑주 승수를 사용하였다.
• 이론적 가정을 수정한 대체 피팅(CT18A, X, Z)을 수행하여, ATLAS 7 TeV W/Z 데이터 포함 여부, 다른 인식 스케일, 채움의 극 질량, CDHSW 데이터 제거 여부 등을 변화시켜 체계적 편향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 7 TeV W/Z 빠르기 분포와 DIS 데이터 간의 불일치가 글로벌 PDF 피팅에 미치는 영향은 무엇이며, 이러한 데이터를 포함했을 때 나타나는 PDF의 행동 양상은 어떠한가?
• RQ2 깊은 비탄성산란에서 인식 스케일을 변화시켰을 때, 그로 인해 유도되는 글루온 및 이상 쿼크 PDF에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 다양한 매개변수화 형태가 PDF의 불확실성 밴드에 미치는 영향은 무엇이며, 체계적인 테스트를 통해 달성된 최소한의 편향은 어느 정도인가?
• RQ4 스케일 선택, NNLO 코드, 적분 방법 등 이론적 불확실성이 최종 PDF 집합에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 대체 PDF 집합(CT18A, X, Z)이 기본 CT18과 비교하여 힉스 생성 횡단단면과 글로벌 피팅 적합도 측면에서 어떻게 다른가?

주요 결과

• CT18 PDF 집합은 CT14와 CT14HERA2를 대체하여 기본 NNLO 글로벌 PDF 집합으로 사용되며, 30개 이상의 LHC 데이터 세트와 레거시 측정치를 포함한다.
• CT18Z 피팅에서 ATLAS 7 TeV W/Z 빠르기 분포를 포함시켰을 경우, 이중자산 SIDIS 데이터의 S_E 값이 증가하여 DIS 실험과의 불일치가 더 뚜렷하게 드러난다.
• CT18Z 피팅은 CT18 및 CT14 예측 대비 글루온 융합를 통한 NNLO 힉스 생성 횡단단면을 약 1% 감소시킨다.
• CT18X와 CT18Z에서 x에 의존하는 인식 스케일을 사용함으로써, 작은 x에서 글루온 PDF가 증가하고 x ~ 0.01에서 감소함으로써 더 향상된 재정렬 효과를 반영한다.
• CT18Z에서 CDHSW 데이터를 제거함으로써 x > 0.1 영역에서 더 딱딱한 글루온 PDF가 도출되었으며, 이는 다른 데이터 세트와 일치하며 글로벌 피팅에서의 불일치를 감소시킨다.
• CT18A, X, Z PDF 집합은 현재 데이터와 일치하는 전체 PDF 행동 범위를 더 철저히 탐색할 수 있도록 하여, LHC 물리에서의 불확실성 정량화를 향상시킨다.