[논문 리뷰] On the intrinsic bottom content of the nucleon and its impact on heavy new physics at the LHC

F. Lyonnet, A. Kusina외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 04. 20.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 27인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 전역 PDF 피팅을 완전히 반복하지 않고도 LHC 과정에 대한 영향을 효율적으로 추정할 수 있도록, 양성자 내에서의 본드 쿼크 고유 부분자 분포 함수(PDF)를 비단일 상태 진화 방정식을 사용하여 모델링하는 방법을 개발한다. 이는 질량 억제로 인해 인트라픽 카르멘보다 일반적으로 더 작은 영향을 미치지만, $√{\tau} = 0.5$ 에서 $b\bar{b}$ 루미노시티가 최대 4배까지 증가할 수 있는 3.5% 수준의 인트라픽 본드 기여가 가능하다는 것을 발견한다. 이는 무거운 새로운 물리학 탐색에 영향을 줄 수 있다.

ABSTRACT

Heavy quark parton distribution functions (PDFs) play an important role in several Standard Model and New Physics processes. Most analyses rely on the assumption that the charm and bottom PDFs are generated perturbatively by gluon splitting and do not involve any non-perturbative degrees of freedom. It is clearly necessary to test this hypothesis with suitable QCD processes. Conversely, a non-perturbative, intrinsic heavy quark parton distribution has been predicted in the literature. We demonstrate that to a very good approximation the scale-evolution of the intrinsic heavy quark content of the nucleon is governed by non-singlet evolution equations. This allows us to analyze the intrinsic heavy quark distributions without having to resort to a full-fledged global analysis of parton distribution functions. We exploit this freedom to model intrinsic bottom distributions which are so far missing in the literature in order to estimate the impact of this non-perturbative contribution to the bottom-quark PDF, and on parton--parton luminosities at the LHC. This technique can be applied to the case of intrinsic charm, albeit within the limitations outlined in the following.

연구 동기 및 목표

• 표준 PDF 전역 분 析에서 누락된 핵자 내 인트라픽 본드 쿼크 분포를 모델링하기 위해.
• 비양성적인 인트라픽 본드 쿼크가 LHC에서 부분자-부분자 루미노시티에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 전체 전역 PDF 재분석 없이도 인트라픽 무거운 쿼크 효과를 효율적으로 추정할 수 있는 계산적으로 효율적인 기법을 개발하기 위해.
• 질량 억제 요소를 고려할 때 인트라픽 본드와 인트라픽 카르멘의 영향을 비교하기 위해.
• LHC 과정에서 기존 PDF 불확실성과 비교하여 인트라픽 본드 기여의 중요성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 인트라픽 무거운 쿼크 PDF가 약간의 비단일 상태 DGLAP 진화 방정식을 통해 진화함을 활용하여, 전체 전역 피팅 시스템에서 분리됨.
• 경계 스케일에서 글루온 PDF와 독립적인 단순 정규화 파rameter를 사용하여 인트라픽 본드 분포를 스케일링.
• CT10, MSTW 등 기존 전역 PDF 세트를 활용하여 재피팅 없이도 일치된 인트라픽 본드 PDF를 생성.
• 중심 질량 에너지 분율 $\tau$ 의 함수로 $b\bar{b}$, $bg$, $c\bar{c}$, $cg$ 채널의 부분자-부분자 루미노시티를 계산.
• 1% 및 3.5%의 인트라픽 본드 정규화에 대해 표준 PDF 불확실성 및 루미노시티 밴드와 결과를 비교.
• 이 방법을 인트라픽 카르멘에 확장하여, 정규화가 증가함에 따라 오차가 증가하지만 여전히 민감도 분석에 유용하다는 점을 지적.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 핵자 웨이브함수 내에서 인트라픽 본드 쿼크 성분은 얼마나 중요하며, 전역 PDF 피팅과 별도로 모델링할 수 있는가?
• RQ2 LHC에서 인트라픽 본드 쿼크는 $b\bar{b}$ 및 $bg$ 부분자 루미노시티에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 질량 억제 요소 $m_c^2/m_b^2 \sim 0.1$ 를 고려할 때, 인트라픽 본드 효과는 인트라픽 카르멘 효과와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ4 어떤 정도로 인트라픽 본드 기여는 핵심 LHC 과정에서 현재의 PDF 불확실성 밴드 내 또는 이를 초월할 수 있는가?
• RQ5 무거운 새로운 물리학 탐색, 특히 $b\bar{b}$-기반 채널에서 인트라픽 본드의 의미는 무엇인가?

주요 결과

• 비단일 상태 진화를 통해 인트라픽 본드 PDF는 매우 정확하게 모델링 가능하며, 전체 전역 재분석 없이도 독립적인 정규화가 가능하다.
• 3.5%의 인트라픽 본드 정규화에서 $\sqrt{\tau} = 0.5$ 에서 $b\bar{b}$ 루미노시티는 최대 4배까지 증가하며, 이는 표준 PDF 불확실성 밴드를 초월한다.
• 3.5%의 인트라픽 본드에서 $bg$ 루미노시티는 4배로 증가하지만, 현재의 불확실성 범위 내에 머무른다.
• 극단적인 가정(인트라픽 본드의 첫 번째 모멘텀이 1%) 하에 $\sqrt{\tau} = 0.5$ 에서 $b\bar{b}$ 루미노시티 증가율은 최대 17배에 이르며, 향후 더 엄격한 불확실성 범위에서 민감도가 높을 수 있음을 시사한다.
• 인트라픽 본드가 $c\bar{c}$ 및 $cg$ 루미노시티에 미치는 영향은 질량 억제 요소 $m_c^2/m_b^2 \sim 0.1$ 로 인해 인트라픽 카르멘에 비해 훨씬 작다.
• 일반적으로 인트라픽 본드가 LHC에서의 무거운 새로운 물리학 탐색에 미치는 영향은 제한적이지만, PDF 불확실성이 감소하거나 $b$ 쿼크와의 결합 상수가 증가하면 중요해질 수 있다.