[논문 리뷰] Towards the determination of the photon parton distribution function constrained by LHC data

Stefano Carrazza|arXiv (Cornell University)|2013. 07. 03.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS Drell-Yan $W$, $Z/\gamma^{*}$, 및 고질량 Drell-Yan 데이터를 사용하여 광자 부분자분포함수(PDF)를 제약하는 리웨이팅 방법을 제시한다. 이는 깊이 있는 비탄성산란(DIS) 데이터만을 사용한 경우에 비해 중간 및 소규모 $x$ 영역에서 불확도를 크게 감소시킨다. 이 방법은 QCD의 1계 및 QED의 0계에서 광자 유도 기여가 포함된 LHC 과정에 대한 예측 정밀도를 향상시킨다.

ABSTRACT

We provide a discussion of the impact of a subset of Drell-Yan data from LHC on the determination of the photon parton distribution function (PDF), using the NNPDF methodology. In previous work we have shown that the photon PDF determined from deep-inelastic scattering (DIS) data only has large uncertainties, suggesting the need for more data from other processes such as Drell-Yan, which unlike DIS, includes photon-induced contributions at leading order in QED. We describe the inclusion of ATLAS Drell-Yan W, Z data, which is a subset of the LHC data used in a final photon PDF determination, by means of a reweighting procedure. We show the impact of such data by comparing the reweighted photon PDF with the photon PDF from DIS, highlighting the reduction of uncertainties at medium/small-x. We conclude that the Drell-Yan data from LHC allows a reasonably accurate determination of the photon PDF.

연구 동기 및 목표

• 깊이 있는 비탄성산란(DIS) 데이터에서만 추출된 광자 PDF의 큰 불확도를 해결하기 위해.
• LHC의 Drell-Yan 데이터를 통합하여 광자 PDF의 정밀도를 향상시키고, 이는 주로 0계 광자 유도 기여를 포함한다.
• NNPDF 프레임워크에 ATLAS $W$, $Z/\gamma^{*}$, 및 고질량 Drell-Yan 데이터를 핵심 PDF 피팅 방법론을 수정하지 않고 통합하는 리웨이팅 절차를 개발하기 위해.
• LHC Drell-Yan 데이터가 중간 및 소규모 $x$ 영역에서 광자 PDF에 상당한 제약을 가한다는 것을 입증하기 위해.
• 향후 LHCb 저질량 데이터 및 기타 과정을 포함하는 종합적 피팅을 위한 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 500개의 복제본을 사용하여, $Q^2_0 = 2$ GeV$^2$에서 DIS 기반 광자 PDF와 NNPDF2.3 NLO 세트의 다섯 번 복제본을 조합하여 사전 PDF 세트를 구성한다.
• 리웨이팅 절차는 이론적 예측(광자 유도 기여는 HORACE로 계산)과 실험적 ATLAS 데이터 사이의 $\chi^2$에 기반하여 복제본에 통계적 가중치를 할당한다.
• 이론적 예측으로서 $W$, $Z/\gamma^{*}$의 속도 분포 및 고질량 Drell-Yan 미분 단면적은 각각 APPLGRID 및 DYNNLO를 사용하여 계산된다.
• 재조정 매개변수 $\alpha$는 리웨이팅의 일관성을 평가하는 데 사용되며, $\alpha=1$은 올바른 불확도 추정을 의미한다.
• 정보 획득 정도를 측정하기 위해 유효 복제본 수($N_{\rm eff}$)를 계산하며, 리웨이팅 후 $N_{\rm eff}=266$로 산출된다.
• 공개용 및 향후 분석을 위해 상관관계가 없는 새로운 PDF 세트(100개 복제본)를 생성하기 위해 언웨이팅을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC Drell-Yan 데이터는 중간 및 소규모 $x$ 영역에서 광자 PDF의 불확도를 상당히 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 ATLAS $W$, $Z/\gamma^{*}$, 및 고질량 Drell-Yan 데이터를 광자 PDF 결정에 통합하는 데 있어 리웨이팅 절차의 효과는 어떠한가?
• RQ3 Drell-Yan 과정에서의 광자 유도 기여가 DIS 전용 피팅에 비해 광자 PDF를 얼마나 잘 제약하는가?
• RQ4 리웨이팅된 광자 PDF가 $Z\to\mu^+\mu^-$ 생성에 대한 이론적 예측에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 리웨이팅된 광자 PDF의 불확도는 특히 데이터가 커버하지 않는 영역에서 DIS 전용 기준과 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 리웨이팅 절차는 ATLAS 데이터에 대한 $\chi^2$를 1.98에서 1.14로 감소시켜 실험 측정치와의 일치도 향상됨을 나타낸다.
• 유효 복제본 수가 $N_{\rm eff} = 266$로 감소하여 데이터로부터 상당한 정보 획득을 반영한다.
• 특히 ATLAS Drell-Yan 데이터가 커버하는 $x$ 영역에서 광자 PDF의 불확도가 상당히 감소하였다.
• 리웨이팅 후 광자 PDF의 중심값도 감소하였으며, 이는 DIS 전용 중심값이 주로 통계적 변동성에 의해 영향을 받았음을 시사한다.
• ATLAS 고질량 Drell-Yan 데이터가 가장 강하게 광자 PDF를 제약하였으며, 이는 $\chi^2$ 감소 폭이 가장 컸기 때문이다.
• 매우 작은 $x$ 영역에서는 데이터 커버리지가 부족하여 불확도가 여전히 크며, 이는 LHCb 저질량 측정치와 같은 추가 데이터가 필요함을 강조한다.