[논문 리뷰] Threshold resummation in direct photon production and its implications on the large-x gluon PDF

N. Sato|arXiv (Cornell University)|2013. 09. 30.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 pQCD에서 NLL+NLO 정확도의 임계값 재결합이 오랫동안 지속된 이론 예측과 고정표적 직접 광자 데이터(UA6) 사이의 괴리 문제를 해결함으로써, 이러한 데이터를 글로벌 PDF 피팅에 포함할 수 있도록 한다. CTEQ6m PDF 복제본에 대한 베이지안 재가중 처리를 통해, 직접 광자 데이터가 대체로 x ~ 0.3 및 Q = 10 GeV에서 큰-x 글루온 PDF의 불확실성을 크게 감소시킴을 보여준다.

ABSTRACT

Currently, the gluon distribution function is mainly constrained by jet data. Yet, its high-x behaviour is largely unknown. This kinematic region is important, for instance, for the understanding of the production of a massive state at forward rapidities at the LHC. In the past, single inclusive direct photon data from fixed target experiments was used to constrain the gluon distribution due to its dominant contribution from the $qg ightarrowγq$ subprocess in proton-proton collisions. Due to disagreement with its theoretical predictions at next-to-leading order (NLO) in perturbative QCD (pQCD), direct photon data have been excluded from global fits. This talk will discuss an improvement to such theoretical predictions by including \emph{threshold resummation} at next-to-leading logarithmic accuracy (NLL) and its impact on gluon distribution at large-x using Bayesian reweighting technique.

연구 동기 및 목표

• 고정표적 직접 광자 데이터(UA6)에서 고가시성 운동량에서의 NLO pQCD 예측과의 오랫동안 지속된 불일치를 해결하기 위해.
• 임계값 재결합이 NLL+NLO 정확도에서 proton-proton 충돌에서의 직접 광자 생성에 대한 이론 예측을 향상시키는지 평가하기 위해.
• 단일 포함형 직접 광자 데이터가 여전히 글로벌 피팅에서 잘 제약되지 않는 고x 글루온 PDF를 제약할 잠재력을 평가하기 위해.
• 베이지안 재가중 프레임워크를 사용하여 UA6 데이터가 글루온 PDF의 불확실성에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 직접 광자 데이터가 제트 데이터에서 이미 알려진 바를 초월해 쿼크 PDF에 새로운 정보를 제공하는지 여부를 판단하기 위해.

제안 방법

• 중앙값 CTEQ6m 글루온 PDF를 기준으로 임의의 변동을 적용하여 100개의 PDF 복제본을 생성하며, 불확실성은 ± 편차로 표현한다.
• 임계값 재결합된 pQCD 프레임워크를 사용하여 NLO+NLL 정확도로 직접 광자 단면적의 이론 예측을 계산한다.
• 각 복제본에 대해 예측값을 UA6 데이터와 비교하여 t₀ 방법을 사용해 χ²를 계산하며, 스케일은 pT로 설정한다.
• 각 복제본에 대해 exp(−½χ²) 비례하는 베이지안 가중치를 할당하고, 총합이 100이 되도록 정규화한다.
• 가중치가 부여된 복제본을 사용하여 글루온 및 업 쿼크 PDF의 재가중 예상값과 분산을 계산한다.
• 재가중된 PDF 불확실성과 재가중되지 않은 것과를 비교하여 UA6 데이터에서의 정보 획득 정도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLL+NLO 정확도의 임계값 재결합이 NLO pQCD 예측과 UA6 직접 광자 데이터 사이의 괴리를 해결하는가?
• RQ2 고정표적 실험에서의 직접 광자 데이터가 고x 글루온 PDF를 어느 정도 제약할 수 있는가?
• RQ3 UA6 데이터의 포함 여부가 Q = 10 GeV, x ~ 0.3에서 글루온 PDF의 불확실성 밴드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이미 잘 제약되어 있는 상태임에도 불구하고 직접 광자 데이터가 업 쿼크 PDF에 새로운 제약 조건을 제공하는가?
• RQ5 PDF 복제본의 베이지안 재가중 처리가 새로운 데이터가 PDF 불확실성에 미치는 영향을 효과적으로 정량화할 수 있는가?

주요 결과

• NLL+NLO 정확도의 임계값 재결합을 포함함으로써 이론 예측이 UA6 직접 광자 데이터와 양호한 일치를 보이며, 이전의 NLO 불일치 문제가 해결되었다.
• 재가중 처리 후 Q = 10 GeV에서 x ~ 0.3 영역의 글루온 PDF 불확실성 밴드가 상당히 감소하였다. 이는 UA6 데이터가 민감한 영역이기 때문이다.
• 글루온 PDF의 재가중된 분산 대비 재가중되지 않은 분산의 비율이 x ~ 0.3 영역에서 상당히 감소하여 불확실성 감소가 명백하게 나타났다.
• 업 쿼크 PDF는 재가중 처리 후 거의 변화가 없었으며, 이는 UA6 데이터가 이 입자 종류에 대해 새로운 정보를 제공하지 않는다는 것을 확인한다.
• 최적 피팅 복제본(가장 높은 가중치)이 재가중 예상값과 밀접하게 일치하여 앙상블 내에서 일관성이 있음을 나타낸다.
• 재가중된 글루온 PDF 예상값이 재가중되지 않은 값과 유사하게 유지되었으며, 이는 중심값이 데이터 포함에 대해 안정적임을 시사한다.