[논문 리뷰] Using Drell-Yan forward-backward asymmetry to constrain parton distribution functions

Antun Han, A. Khukhunaishvili외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양성자 충돌기에서 Drell-Yan 전방-후방 전하 비대칭성($A_{FB}(M,y)$) 측정을 통해 Parton 분포 함수(PDFs)를 제약함으로써, 전자약력 정밀도 측정에서 지배적인 체계적 오차를 차지하는 PDF 불확실성을 줄이는 방법을 제안한다. PDF 피팅에서 $A_{FB}$ 데이터에 대한 $χ^2$ 값 분석을 통해, $σ^2 \theta_{\text{eff}}^{\text{lept}}(M_Z)$ 및 $M_W$와 같은 핵심 파라미터의 PDF 오차를 크게 감소시켜 전자약력 스케일 측정의 정밀도를 향상시킨다.

ABSTRACT

We show that measurements of the forward-backward charge asymmetry ($A_{FB}(M,y)$) of Drell-Yan dilepton events produced at hadron colliders provide a new powerful tool to constrain Parton Distribution Functions (PDFs). PDF uncertainties are the dominant source of systematic error in precision measurements at hadron colliders (e.g. $\sin^2 heta_{eff}(M_Z)$, $\sin^2 heta_{W}=1-M_W^2/M_Z^2$ and the mass of the W boson). We show that the $\chi^2$ values of fits to extract $\sin^2 heta_{eff}^{lept}(M_Z)$ from $A_{FB}(M,y)$ with different PDF replicas can be used to place additional constraints on PDFs. In turn, using these constrained PDFs significantly reduces the PDF errors in precision measurements of electroweak parameters.

연구 동기 및 목표

• 양성자 충돌기에서 전자약력 파rameter의 정밀도 측정에 영향을 주는 주요 PDF 불확실성을 줄이기 위해.
• Drell-Yan 사건으로부터의 $A_{FB}(M,y)$ 측정이 Parton 분포 함수(PDFs)에 대한 새로운 제약 조건으로 기능할 수 있는지 탐색하기 위해.
• Drell-Yan 기반 PDF 제약 조건을 활용하여 $\sin^2 \theta_{\text{eff}}^{\text{lept}}(M_Z)$ 및 $M_W$와 같은 전자약력 파rameter의 추출 정확도를 향상시키기 위해.
• Drell-Yan 기반 PDF 제약 조건이 전자약력 정밀도 관측량의 체계적 오차 감소에 미치는 영향을 정량화하기 위해.

제안 방법

• 양성자 충돌기에서 Drell-Yan 이중 렙톤 사건의 전방-후방 전하 비대칭성($A_{FB}(M,y)$) 데이터를 새로운 관측량으로 활용하여 PDF를 제약한다.
• PDF 복제본에 대한 $χ^2$ 값 평가를 통해 $A_{FB}(M,y)$ 측정치에 대한 전반적인 PDF 피팅을 수행하고, 데이터와의 일치성을 평가한다.
• $χ^2$ 기반의 PDF 복제본 선택 기법을 적용하여 PDF 세트를 정밀화하고, 피팅된 파라미터의 불확실성을 감소시킨다.
• 제약된 PDF를 사용하여 전자약력 정밀도 관측량을 재평가하며, 특히 $\sin^2 \theta_{\text{eff}}^{\text{lept}}(M_Z)$ 및 $M_W$의 오차 감소 여부를 평가한다.
• Drell-Yan 기반 제약 조건 적용 전후의 PDF 불확실성 비교를 통해 정밀도 향상 정도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Drell-Yan 사건에서의 $A_{FB}(M,y)$ 측정치가 Parton 분포 함수(PDFs)에 대해 새로운 효과적인 제약 조건이 될 수 있는가?
• RQ2 Drell-Yan 기반 PDF 제약 조건이 $\sin^2 \theta_{\text{eff}}^{\text{lept}}(M_Z)$ 추출의 불확실성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ3 Drell-Yan 기반 PDF 제약 조건은 W 보손 질량 측정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Drell-Yan $A_{FB}(M,y)$ 데이터를 포함함으로써 전자약력 정밀도 연구에서 전체 PDF 불확실성에 어떤 정량적 영향을 미치는가?

주요 결과

• Drell-Yan 사건의 $A_{FB}(M,y)$ 데이터를 제약 조건으로 포함함으로써, $\sin^2 \theta_{\text{eff}}^{\text{lept}}(M_Z)$ 추출 시 PDF 불확실성이 크게 감소한다.
• $A_{FB}(M,y)$ 데이터에 대한 피팅에서 유도된 $χ^2$ 값은 PDF 복제본의 효과적 선택을 가능하게 하여, PDF 세트의 일관성과 정밀도를 향상시킨다.
• W 보손 질량 측정의 PDF 불확실성은 $A_{FB}$ 데이터 기반 제약 조건을 적용함으로써 상당히 감소한다.
• 이 방법은 PDF를 제약하는 데 있어 새로운 독립적인 도구를 제공하며, 양성자 충돌기에서 전자약력 정밀도 측정의 주요 체계적 오차 원인을 직접적으로 해결한다.