[论文解读] Parton densities from LHC vector boson production at small and large transverse momenta

Matthias Brandt, Michael Klasen|arXiv (Cornell University)|May 24, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用 9

一句话总结

本文提出利用大型强子对撞机（LHC）在 √s = 7、8 和 14 TeV 下的高横动量矢量玻色子产生过程（W/Z 玻色子）来改进质子部分子分布函数（PDFs）的约束，特别是大动量分数 x 处的胶子 PDF。该过程在高 pT 下主要由夸克-胶子散射（QCD 康普顿型）主导，理论预测通过 NLO 和软胶子重求和方法具有高度可靠性。LHC 在高 pT 下的数据与基于 Tevatron Z 玻色子数据拟合的非微扰参数的预测高度一致，表明现有 PDF 拟合可无需重新拟合即可描述新的 LHC 数据，且这些数据应被纳入全局 PDF 拟合中，以更精确地约束大 x 区域的胶子 PDF。

ABSTRACT

The parton densities of the proton are of fundamental importance not only for our description of hadronic and nuclear structure, but also for reliable predictions for new heavy particle searches at colliders. At the large partonic momentum fractions required for the production of these particles, the parton distribution functions, in particular the one of the gluon, are unfortunately still badly constrained. In this paper, we investigate the possibility to improve on their determination with new data coming from electroweak vector boson production at large transverse momenta at the LHC with center-of-mass energies of 7, 8 or 14 TeV. We demonstrate that this process is dominated by quark-gluon scattering, that theoretical predictions can be reliably made on the basis of next-to-leading order perturbation theory and its resummation, and that these data should thus be used in global fits. We also point out that the non-perturbative parameters determined from Tevatron run-1 Z-boson data at low p_T describe very well the new LHC data at \sqrt{s}=7 TeV.

研究动机与目标

• 改进质子部分子分布函数（PDFs）的约束，特别是当前知识薄弱的大动量分数 x 区域的胶子 PDF。
• 研究 LHC 中高横动量 W/Z 玻色子产生过程是否可作为大 x 区域胶子 PDF 的可靠探针。
• 评估使用下一阶微扰（NLO）和软胶子重求和技术进行该过程理论预测的可靠性。
• 评估基于 Tevatron Z 玻色子数据拟合的非微扰参数是否可在不重新拟合的情况下描述 √s = 7 TeV 下的新 LHC 数据。
• 倡导在未来全局 PDF 拟合中纳入高 pT 矢量玻色子数据，以提升 PDF 的精度。

提出的方法

• 利用下一阶微扰量子色动力学（NLO）和下一阶对数（NLL）级软胶子重求和，计算 W/Z 玻色子产生的理论截面。
• 分析聚焦于矢量玻色子产生的横动量（pT）和快度（y）依赖性，尤其关注夸克-胶子散射占主导的高 pT 区域。
• 从矢量玻色子的不变质量与快度推导出部分子动量分数 x1 和 x2，快度依赖性以指数形式体现，用于探测不对称的 x 区域。
• 通过函数 W~NPj¯k(b,Q,Q0,x1,x2) 建模非微扰效应，其中参数 g1、g2、g3 通过 Tevatron 运行 1 阶 Z 玻色子数据拟合。
• 将理论预测与 CMS 和 ATLAS 发布的 √s = 7 TeV 下 Z 和 W 玻色子产生在不同 pT 和快度区间的数据进行比较。
• 评估并比较 CT10、MSTW08 和 NNPDF2.1 的 PDF 不确定性带与实验数据，尤其关注不确定性最大的前向快度区域。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC 中高横动量矢量玻色子产生能否改进大 x 区域胶子 PDF 的约束？
• RQ2 QCD 康普顿过程（qg → qZ*/W*）是否在高 pT 矢量玻色子产生中占主导，从而对胶子 PDF 敏感？
• RQ3 考虑到 NLO 与软胶子重求和的相互作用，该过程的理论预测在高 pT 下是否可靠？
• RQ4 基于 Tevatron Z 玻色子数据拟合的非微扰参数是否可在不重新拟合的情况下描述 √s = 7 TeV 下的新 LHC 数据？
• RQ5 LHC 的高 pT 矢量玻色子数据在多大程度上可改善全局 PDF 拟合，特别是在前向快度区域？

主要发现

• 在横动量超过约 20 GeV 时，LHC 中的矢量玻色子产生主要由夸克-胶子散射过程（QCD 康普顿型）主导，使其对胶子 PDF 高度敏感。
• 使用 NLO 和软胶子重求和的理论预测与 CMS 和 ATLAS 在 √s = 7 TeV 下 Z 和 W 玻色子产生的数据高度一致，分别适用于高达 pT = 600 GeV 和 300 GeV 的范围。
• 基于 Tevatron 运行 1 阶 Z 玻色子数据拟合的非微扰参数可极好地描述 √s = 7 TeV 下的归一化 LHC 数据，表明现阶段无需重新拟合。
• 前向快度区域（|y| ∈ [2;3]）的 PDF 不确定性较大，最高可达两倍，凸显此类测量在减小不确定性方面的潜力。
• CT10、MSTW08 和 NNPDF2.1 的不确定性带包络线甚至大于 CT10 单独的不确定性带，表明该过程对 PDF 变化的强敏感性，凸显其在全局拟合中的价值。
• 在高 pT 下，理论尺度不确定性保持较小，支持其在 8 和 14 TeV 未来全局 PDF 分析中的预测可靠性。