[論文レビュー] A first determination of the strong coupling $\alpha _S$ at approximate $ extrm{N}^3$LO order in a global PDF fit

Thomas Cridge, L. A. Harland-Lang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Electromagnetic Scattering and Analysis被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、同時にプロトン部分素粒子分布関数（PDFs）をフィットすることにより、近似的なN3LO順序で強い結合定数 αS の最初のグローバルな決定を提示している。その結果、αS(MZ²) = 0.1170 ± 0.0016 が得られた。この結果は、NNLO値と優れた摂動的収束性を示しており、より現実的な理論的不確実性を含んでおり、異なるジェットデータの選択肢との整合性を確認し、aN3LO PDF フィットの信頼性を検証している。

ABSTRACT

We present the first determination of the value of the strong coupling via a simultaneous global fit of the proton parton distribution functions (PDFs) at approximate N$^{3}$LO (aN$^{3}$LO) order in QCD. This makes use of the MSHT global PDF fitting framework, and in particular the recent theoretical advances that allow a PDF fit to now be performed at this order. The value of the strong coupling is found to be $\alpha_S(M_Z^2)$(aN$^{3}$LO)$ = 0.1170 \pm 0.0016$. This is in excellent agreement with the NNLO value of $\alpha_S(M_Z^2)$(NNLO) $= 0.1171 \pm 0.0014$, indicating that good perturbative convergence has been found. The resulting uncertainties, calculated using the MSHT dynamic tolerance procedure, are somewhat larger, but more accurate, at aN$^{3}$LO, due to the missing higher order theoretical uncertainties that are included at this order, but not at NNLO. We in addition present a detailed breakdown of the individual dataset sensitivity to the value of the strong coupling, with special focus on the impact of fitting dijet rather than inclusive jet data. This choice is found to have a non-negligible impact, but with overall good consistency found, especially at aN$^{3}$LO.

研究の動機と目的

• 量子色力学（QCD）における近似的なN3LO（aN3LO）順序で、プロトンPDFとαSの最初の同時グローバルフィットを実行すること。
• 特にNNLOに存在しない高次項補正の欠落による理論的不確実性の影響を評価すること。
• グローバルフィットにおける包括的ジェットと二重ジェットデータの選択がαSに与える感度を評価すること。
• NNLOとaN3LOの間でのαSの摂動的収束性を比較し、aN3LO抽出の信頼性を検証すること。

提案手法

• 既知のN3LO係数関数および分割関数を含む、近似的なN3LO順序まで拡張された理論的入力を持つMSHTグローバルPDFフィッティングフレームワークを用いる。
• PDFの不確実性を計算するために、MSHT動的許容誤差手順を適用し、実験的および理論的不確実性を統合する。
• LHCジェット、Drell-Yan、および深エネルギー散乱データを含む包括的なデータセットに対して、αS(MZ²)を自由パラメータとして扱うことで、同時にフィットを実行する。
• 包括的ジェットデータと二重ジェットデータの使用を比較し、異なるジェット測定値における感度と一貫性を評価する。
• CMSおよびATLASジェットデータの更新された取り扱いを採用し、統計的相関および改善された誤差定義を組み込む。
• 予備的なN3LO分割関数の更新を用いた結果の妥当性を検証し、主たる結果と一貫していることを確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 グローバルフィットにおいて、近似的なN3LO順序でPDFと同時に抽出された強い結合定数 αS(MZ²) の値は何か？
• RQ2 aN3LOにおける理論的不確実性の取り入れ方は、NNLOと比較して αS(MZ²) の不確実性にどのように影響するか？
• RQ3 グローバルフィットにおける包括的ジェットと二重ジェットデータの選択が、抽出された αS(MZ²) にどれほど感度を示すか？
• RQ4 αS(MZ²) の摂動的収束性はaN3LOで安定化するか？ これはQCD級数の収束を示唆するか？
• RQ5 最近のN3LO分割関数および行列要素に関する理論的進展は、αS(MZ²) 決定にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• 近似的なN3LO順序でのαS(MZ²) の最初のグローバル決定は、0.1170 ± 0.0016 を得ており、NNLO値の 0.1171 ± 0.0014 と非常に良好に一致している。
• aN3LOでの不確実性はNNLOよりわずかに大きいが、NNLOでは欠落していた高次項の理論的不確実性を含んでいるため、より正確である。
• ジェットデータの選択に対して結果は頑健である：二重ジェットデータを用いた場合、aN3LOで αS(MZ²) = 0.1170 ± 0.0013 が得られ、包括的ジェット結果とほぼ同一である。
• 包括的ジェットデータを用いた場合、aN3LOでの摂動的収束性が向上しており、NNLOからaN3LOへのαS(MZ²)の変化は顕著でない。
• 更新されたN3LO分割関数を用いた予備的チェックは、主たる結果と一貫しており、aN3LO抽出の信頼性を支持している。
• 本研究は、αS(MZ²) 決定における収束が、すでにaN3LOでほぼ達成されており、より高次の項による顕著なシフトは予想されないことを示唆している。