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

Alberto Guffanti, Juan Rojo|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 LHC에서의 토프 쿼크 쌍 및 단일 토프 생성에 대한 PDF 불확실성과 상관관계의 영향을 조사하며, 단일 토프 생성에서 바텀 쿼크 질량이 주요 이론적 불확실성임을 보여준다. NNPDF2.0 전역 피팅을 통해 토프 쿼크와 전자기 벡터 보손의 단면적 간 강한 반상관관계가 있음을 밝혀내었으며, 이는 초기 LHC 데이터에서 $W^\pm$ 및 $Z^0$ 생성 측정이 토프 단면적 결정의 PDF 불확실성을 감소시킬 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

In this contribution we discuss the impact of PDF uncertainties on t\bar{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 single- top 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 $t\bar{t}$ 및 $t$-채널 단일 토프 생성 단면적에 대한 PDF 불확실성의 영향을 평가하기 위해.
• 특히 바텀 쿼크 질량 $m_b$의 역할을 포함해 단일 토프 생성에서의 주요 이론적 불확실성을 특정하기 위해.
• 향상된 측정 정확도를 위해 토프 쿼크와 전자기 벡터 보손($W^\pm, Z^0$) 생성 단면적 간 PDF 유도 상관관계를 탐색하기 위해.
• 벡터 보손 단면적을 캘리브레이션 도구로 사용하여 토프 쿼크 단면적 측정의 PDF 불확실성을 줄일 잠재력을 평가하기 위해.
• 여러 개의 NLO PDF 세트(NNPDF2.0, CTEQ6.6, MSTW2008, ABKM09, HERAPDF1.0) 간 예측을 비교하고, 이들의 격차를 파arton 루미노시티와 입력 매개변수에 기인한 것으로 추적하기 위해.

제안 방법

• MCFM 코드를 사용하여 다양한 PDF 세트를 활용해 $t\bar{t}$ 및 $t$-채널 단일 토프 생성의 NLO QCD 단면적을 계산하였다.
• Monte Carlo 기법을 활용해 PDF 불확실성과 상관관계를 추정하는 NNPDF2.0 전역 피팅을 사용하였다.
• Eq. (1)에 정의된 상관계수 $\rho$를 사용하여 PDF 오차 전파로부터 유도된 파arton 밀도와 단면적 간의 상관관계를 정량화하였다.
• 동일한 NNPDF2.0 프레임워크를 사용하여 토프 쿼크와 전자기 벡터 보손 단면적($\sigma_{W^+}, \sigma_{W^-}, \sigma_{Z^0}$) 간의 상관관계를 분석하였다.
• PDF 세트 간 예측을 비교하여 $\alpha_s$, $m_b$, 및 파arton 루미노시티의 기여를 분리하였다.
• 상관계수 타원도 및 파arton 밀도 상관관계를 그려, 특정 $x$ 값에서 단면적의 특정 PDF에 대한 민감도를 시각화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PDF 불확실성은 LHC에서의 $t\bar{t}$ 및 $t$-채널 단일 토프 생성에 대한 이론적 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 바텀 쿼크 질량 $m_b$는 단일 토프 생성 단면적의 이론적 불확실성에 대해 상대적으로 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 $t\bar{t}$ 및 $t$-채널 단일 토프 생성 단면적은 전자기 벡터 보손 생성 단면적과 어느 정도 상관관계가 있는가?
• RQ4 $W^\pm$ 및 $Z^0$ 생성 측정을 통해 토프 쿼크 단면적 측정의 PDF 불확실성을 줄일 수 있는가?
• RQ5 PDF 세트의 차이(예: NNPDF2.0 대 ABKM09)는 단면적 예측에 어떤 영향을 미치며, 그 배경 원인은 무엇인가?

주요 결과

• $t\bar{t}$ 단면적은 7 TeV에서 다양한 PDF 세트 간 약 ~10%의 변동을 보이며, NNPDF2.0, CTEQ6.6, 및 MSTW2008는 1-시그마 불확실성 내에서 일치한다.
• $t$-채널 단일 토프 단면적은 PDF 세트 간 더 큰 격차를 보이며, 이는 $m_b$ 및 $\alpha_s$의 변동으로 인해 1-시그마 불확실성을 초월한다.
• 바텀 쿼크 질량 $m_b$의 불확실성은 특히 $N_f=4$ 계산을 사용할 경우 단일 토프 생성에서 주요 이론적 불확실성으로 확인된다.
• $t\bar{t}$ 단면적은 $W^\pm$ 및 $Z^0$ 단면적과 강한 반상관관계를 보이며, 상관계수는 각각 $\rho = -0.716$, $-0.694$, 및 $-0.773$이다.
• $t$-채널 단일 토프 단면적은 $W^\pm$ 및 $Z^0$ 단면적과 온건한 상관관계를 보이며($\rho \approx 0.14$에서 $0.33$), 이는 벡터 보손 측정을 통한 캘리브레이션 잠재력이 제한됨을 시사한다.
• $t\bar{t}$ 단면적은 $x \sim 0.1$에서 글루온 PDF에 가장 민감한 반면, $t$-채널 단일 토프 단면적은 $x \sim 0.01$에서 $b$-쿼크 및 $s$-쿼크 PDF에 가장 민감하다.