[논문 리뷰] Top production at the LHC: The impact of PDF uncertainties
 and correlations

Alberto Guffanti, Juan Rojo|arXiv (Cornell University)|2010. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 토프 쿼크 쌍(t̄t) 및 단일-톱 생성에 대한 파arton 분포 함수(PDF)의 불확실성과 상관관계가 미치는 영향을 조사한다. NLO QCD 계산을 사용하여 여러 PDF 세트(NNPDF2.0, CTEQ6.6, MSTW2008, ABKM09, HERAPDF1.0)를 적용함으로써, PDF 불확실성이 토프 생성에서 이론적 불확실성의 주요 원인임을 입증한다. 특히 단일-톱 생성의 경우, 바텀 쿼크 질량이 주요 불확실성 원인이다. 중요한 점은 t̄t 및 전자기력 벡터 보손(W±, Z⁰)의 횡단면 사이에 강한 반상관관계가 있음을 밝혀내었으며, 이는 정밀한 보손 생성 측정을 통해 초기 LHC에서의 토프 횡단면 측정에 대한 PDF 불확실성을 줄일 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this contribution we discuss the impact of PDF uncertainties on t¯t and t-channel single-top production at the LHC. We present predictions for total cross-sections computed at NLO accuracy with different PDF sets. For singletop production, we point out that the uncertainty arising from the choice of the bottom quark mass is one of the dominant theoretical uncertainties on the total
 cross-section. Finally, the possibility of using PDF-induced correlations between top quark and electroweak vector boson production cross-sections to improve the
 accuracy of LHC measurements is investigated.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 t̄t 및 단일-톱 생성 횡단면에 대한 PDF 불확실성의 영향을 평가하기 위해.
• 특히 바텀 쿼크 질량의 기여도를 포함한 단일-톱 생성에서의 주요 이론적 불확실성 원인을 규명하기 위해.
• 톱 쿼크 및 전자기력 벡터 보손 생성 횡단면 간 PDF 유도 상관관계를 조사하기 위해.
• 초기 LHC 데이터에서의 토프 횡단면 측정에 있어 보손 횡단면 측정을 통해 PDF 불확실성을 줄일 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• √s = 7 TeV에서 t̄t 및 단일-톱 횡단면에 대해 MCFM 코드를 통한 NLO QCD 계산을 수행한다.
• NNPDF2.0, CTEQ6.6, MSTW2008, ABKM09, HERAPDF1.0 등의 다수의 글로벌 및 축소된 PDF 세트 간 예측을 비교한다.
• 입력 매개변수의 체계적 변동을 통해 αs, mb 및 PDF 루미노시티 기여도를 분리하여 불확실성의 크기를 정량화한다.
• 몬테카를로 기법을 사용한 NNPDF 방법론을 적용하여 PDF 불확실성 추정 및 파arton 밀도와 횡단면 간 상관관계 계산을 수행한다.
• NNPDF2.0 글로벌 피팅을 통해 t̄t/단일-톱과 W±/Z⁰ 횡단면 간 상관계수를 계산한다.
• 상관계수를 시각화하기 위해 상관관계 타원도를 그리고, 톱 및 보손 생성 간 반상관관계 강도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PDF 불확실성이 LHC에서 t̄t 및 단일-톱 생성 예측 횡단면에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 단일-톱 생성에서 이론적 불확실성에 대한 바텀 쿼크 질량의 기여도는 어느 정도인가?
• RQ3 공유된 PDF 불확실성으로 인해 톱 쿼크 및 전자기력 벡터 보손 생성 횡단면 간에 유의미한 상관관계가 존재하는가?
• RQ4 정밀한 보손 생성 측정을 통해 토프 쿼크 횡단면 측정의 PDF 불확실성을 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 다양한 PDF 세트(NNPDF2.0, CTEQ6.6, MSTW2008)의 중심 예측값은 1σ 불확실성 내에서 일치하지만, 데이터셋이 축소된 세트(ABKM09, HERAPDF1.0)는 더 큰 이격을 보인다.
• 7 TeV에서 t̄t 횡단면은 NNPDF2.0를 사용할 경우 160.0 ± 5.9 pb, MSTW2008를 사용할 경우 159.0 ± 4.7 pb, CTEQ6.6를 사용할 경우 147.7 ± 6.4 pb로 예측된다.
• 단일-톱 생성의 경우, 바텀 쿼크 질량 선택이 주요 이론적 불확실성 원인이며, αs를 고정하더라도 PDF 세트에 따라 예측값이 크게 달라진다.
• 7 TeV에서 t-채널 단일-톱 횡단면은 NNPDF2.0를 사용할 경우 43.9 pb로 예측되며, 이는 주로 PDF 변동에 의해 결정되는 불확실성에 의해 지배된다.
• t̄t 횡단면과 W±/Z⁰ 횡단면 간 강한 반상관관계(ρ ≈ -0.7)가 발견되어, 정밀한 보손 측정을 통해 토프 쿼크 횡단면의 PDF 관련 불확실성을 줄일 수 있음을 시사한다.
• t-채널 단일-톱과 보손 횡단면 간 상관계수는 약 0.1–0.3로 약한 편이므로, 보손 측정을 통한 단일-톱 횡단면 캘리브레이션의 유용성은 제한적이다.