[論文レビュー] Hard Scattering Based Luminosity Measurement at Hadron Colliders

Walter T. Giele, S. Keller|ArXiv.org|Apr 4, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、ハドロン衝突装置における光度測定法を提案し、同時にWおよびZボソンのイベント数を用いて、パートン分布関数（PDF）の不確実性を活用することで精度を向上させる。ベクトルボソン生成とトップクォーク対の生成断面積を関連付けることで、光度関連の理論的不確実性を低減し、D0ラン1bデータに対して67%の信頼水準を達成した。これは実験結果と強い一貫性を示し、従来の光度測定技術に取って代わる可能性を示している。

ABSTRACT

A strategy to determine the luminosity at Hadron Colliders is discussed using the simultaneous W-boson and Z-boson event counts. The emphasis of the study will be on the uncertainty induced by the parton density functions. Understanding this source of uncertainties is crucial for a reliable luminosity determination using the W-boson and Z-boson events. As an example we will use the D0 run 1 results to extract the luminosity using the vector boson events and compare the result with the traditional method. Subsequently we will look at the implications for the top cross section uncertainties using the extracted luminosity.

研究の動機と目的

• ハードスキャッタリング過程を用いることで理論的不確実性を低減するハドロン衝突装置における光度測定法の開発を目的とする。
• パートン分布関数（PDF）の不確実性が、ハドロン衝突装置におけるWおよびZボソン断面積予測に与える影響を定量化することを目的とする。
• W/Zボソンとトップクォーク対生成といった複数のハードスキャッタリング過程を比較する際、光度不確実性の相殺を可能にする。
• D0ラン1aおよび1bデータを用いてこの手法を検証し、実験結果と一貫性を示すこと。
• 今後の実験、例えばLHCにおいて、従来の光度測定法をこのPDFおよび断面積に基づく手法に置き換える可能性を評価すること。

提案手法

• 光度を推定するために、WおよびZボソンのイベント数を同時に計数し、それらの断面積比が光度に依存しないという事実を活用する。
• 最適化されたPDFセット（H1+BCDMS+E665-MRST）を用いてパートン密度の不確実性をモデル化し、DYRADモンテカルロを用いて次-leading-order（NLO）断面積計算を実施する。
• 実験的応答関数を組み込むことで、検出器の効率およびエネルギー分解能を考慮し、PDFアンサンブルにわたる統合により光度の確率密度関数を導出する。
• PDFレプリカのモンテカルロ合算を用いて、光度不確実性をトップクォーク対生成予測に伝搬させ、理論的取り扱いの一貫性を保証する。
• 予測されたイベント数と観測されたイベント数の重複から導かれる信頼水準を用いて、理論とデータとの一貫性を検証する。
• 検出器の受容率補正は、PDF依存の理論モデルを通して暗黙的に扱うが、完全に相関しない場合には潜在的なバイアスを生じる可能性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WおよびZボソンのイベントレートに基づく光度測定法は、従来の手法と同等またはそれ以上の精度を達成できるか？
• RQ2 PDFの不確実性は、ハドロン衝突装置におけるWおよびZボソン断面積の理論的予測にどのように影響するか？
• RQ3 W/Zボソンデータと相関させることで、トップクォーク対断面積測定における光度不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 複数の相互に整合性のあるPDFデータセットを組み込むことで、光度決定の信頼性を向上させられるか？
• RQ5 この手法は、今後の加速器実験（例えばLHC）において、従来の光度測定法に取って代わる適切な選択肢となるか？

主な発見

• D0ラン1bの統合光度は80.3+2.3-2.8 pb⁻¹、信頼水準67%として決定され、データとPDFベースの予測との強い一貫性を示した。
• 予測されたWボソン断面積は2.44±0.07 nbであり、D0が測定した値と一致し、PDFセットの妥当性が裏付けられた（26%の信頼水準）。
• 予測されたZボソン断面積は0.232+0.007-0.006 nbであり、D0ラン1b測定値に対して34%の信頼水準を示した。
• PDF不確実性の相関を活用することで、トップクォーク対断面積比較における光度不確実性が低減され、観測されたトップクォーク対イベント数に対して53%の信頼水準が得られた。
• 複数のPDFデータセット（H1+BCDMS+E665-MRST）の組み込みにより、光度決定の堅牢性が向上し、系統的バイアスが低減された。
• 理論的不確実性の優れた制御と内在的な相関キャンセレーションの特性により、この手法は従来の光度測定法に取って代わる可能性を示した。