[논문 리뷰] Parton Distributions and New Physics Searches: the Drell-Yan Forward-Backward Asymmetry as a Case Study

Richard D. Ball, Alessandro Candido외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 09. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 대량 운동량 분율 $x$에서의 부분론 분포 함수(PDFs)의 불확실성들이 LHC에서 새로운 물리학 탐색의 핵심 관측량인 Drell-Yan 전후 비대칭성($A_{\rm fb}$)의 이론적 예측에 어떻게 영향을 미치는지 조사한다. 이는 고이온량 질량에서 $A_{\rm fb}$의 형태가 PDF 매개변수화 가정에 매우 민감함을 보여주며, 표준모형 예측에서의 편차가 새로운 물리학을 신뢰할 수 있게 나타내지 못할 수 있음을 의미한다. 대신 이러한 편차는 PDF의 불확실성에 기인할 수 있다.

ABSTRACT

We discuss the sensitivity of theoretical predictions of observables used in searches for new physics to parton distributions (PDFs) at large momentum fraction $x$. Specifically, we consider the neutral-current Drell-Yan production of gauge bosons with invariant masses in the TeV range, for which the forward-backward asymmetry of charged leptons from the decay of the gauge boson in its rest frame is a traditional probe of new physics. We show that the qualitative behaviour of the asymmetry depends strongly on the assumptions made in determining the underlying PDFs. We discuss and compare the large-$x$ behaviour of various different PDF sets, and find that they differ significantly. Consequently, the shape of the asymmetry observed at lower dilepton invariant masses, where all PDF sets are in reasonable agreement because of the presence of experimental constraints, is not necessarily reproduced at large masses where the PDFs are mostly unconstrained by data. It follows that the shape of the asymmetry at high masses may depend on assumptions made in the PDF parametrization, and thus deviations from the traditionally expected behaviour cannot be taken as a reliable indication of new physics. We demonstrate that forward-backward asymmetry measurements could help in constraining PDFs at large $x$ and discuss the accuracy that would be required to disentangle the effects of new physics from uncertainties in the PDFs in this region.

연구 동기 및 목표

• 고이온량 질량에서 Drell-Yan 전후 비대칭성($A_{\rm fb}$)의 이론적 예측에 대량 운동량 분율($x$)의 부분론 분포 함수(PDFs)가 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 고질량에서 관측된 $A_{\rm fb}$의 편차가 새로운 물리학 때문인지, 아니면 PDF 매개변수화의 불확실성 때문인지 조사하기 위해.
• 고 $x$ 영역에서 데이터 제약이 희박한 상황에서 $A_{\rm fb}$ 측정이 PDF를 제약하는 데의 잠재력을 평가하기 위해.
• 다양한 PDF 세트(NNPDF3.1, NNPDF4.0 등)가 고이온량 질량 범위에서 $A_{\rm fb}$를 예측하는 방식을 비교하기 위해.
• 고질량 Drell-Yan 과정에서 새로운 물리학 효과와 PDF 불확실성 간의 혼동을 피하기 위해 필요한 실험 정밀도를 결정하기 위해.

제안 방법

• Drell-Yan 생성 과정을 1차 순서에서 분석하여, $q\bar{q} \to \gamma^*/Z \to \ell^+\ell^-$의 운동학 및 단면적에 초점을 맞추며, 특히 Collins-Soper 각도 $\theta^*$에서의 전후 비대칭성에 주목한다.
• 대칭 및 반대칭 단면적 성분을 결정하는 부분론 런처미너티 $\mathcal{L}_{S,q}$ 및 $\mathcal{L}_{A,q}$를 계산한다. 이는 $A_{\rm fb}$ 행동을 규정한다.
• 양성 제약 조건과 매개변수화 선택의 영향을 평가하기 위해, 여러 PDF 세트(NNPDF3.1, NNPDF4.0, NNPDF4.0(3.1pos) 변형)의 예측을 비교하여, $m_{\ell\bar{\ell}} \geq 5$ TeV에서의 $A_{\rm fb}$에 미치는 영향을 분석한다.
• 이상 질량 증가에 따른 PDF 불확실성의 변화를 비교하기 위해 $|y_{\ell\bar{\ell}}|$ 및 $\cos\theta^*$의 미분 분포를 사용한다.
• $A_{\rm fb}$가 고 $x$ 영역에서 쿼크 및 반쿼크 PDF의 행동에 얼마나 민감한지 평가하며, 특히 직접적인 실험 제약이 없는 상황에서의 영향을 분석한다.
• 미래 고정밀도 $A_{\rm fb}$ 측정이 고 $x$ 영역에서 PDF 불확실성을 줄이고 새로운 물리학 탐색의 신뢰성을 향상시킬 잠재력을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다양한 PDF 세트의 고 $x$ 행동이 고이온량 질량에서 Drell-Yan 전후 비대칭성의 예측 형태에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 고질량에서 관측된 $A_{\rm fb}$의 편차 중 얼마나 많은 부분이 새로운 물리학이 아닌 PDF 불확실성에 기인하는가?
• RQ3 고 $m_{\ell\bar{\ell}}$에서의 $A_{\rm fb}$ 측정이 고 $x$ 영역에서 PDF를 제약하는 데 의미 있는 기여를 할 수 있는가?
• RQ4 특히 다양한 양성 제약 조건을 가진 다양한 PDF 매개변수화 방법이 고에너지에서 예측된 $A_{\rm fb}$에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 고질량 Drell-Yan 관측량에서 새로운 물리학 신호와 PDF 관련 불확실성 간의 혼동을 피하기 위해 필요한 실험 정밀도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 고이온량 질량($m_{\ell\bar{\ell}} \geq 5$ TeV)에서 Drell-Yan 전후 비대칭성 $A_{\rm fb}$의 형태는 특히 고 $x$에서 PDF 매개변수화에 대한 가정에 크게 의존한다.
• 다른 PDF 세트(NNPDF3.1, NNPDF4.0 등)는 저질량에서는 일치하지만 고 $x$ 영역에서의 상당한 차이를 보이며, 이는 고질량에서 $A_{\rm fb}$의 예측 행동에 다름을 초래한다.
• 전후 비대칭성의 주요 결정 요소인 반대칭 부분론 런처미너티 $\mathcal{L}_{A,q}$는 PDF 세트 간에 정성적으로 유사한 경향을 보이지만, 고 $x$ PDF 행동의 차이로 인해 $A_{\rm fb}$의 크기와 불확실성은 다를 수 있다.
• NNPDF4.0은 NNPDF3.1에 비해 고 $x$ 영역에서 PDF 불확실성을 감소시키지만, $A_{\rm fb}$의 고질량에 따른 정성적 의존성은 세트 간 일관되게 유지된다.
• NNPDF3.1에서 NNPDF4.0으로의 PDF 불확실성 감소는 주로 데이터 제약과 방법론의 향상 덕분이며, 단지 양성 제약 조건 때문이 아니라는 점이 확인된다.
• 향후 HL-LHC에서의 고정밀도 $A_{\rm fb}$ 측정은 고 $x$ 영역에서 PDF를 제약하는 데 도움이 될 수 있으나, 실험 정밀도가 충분히 높아야 PDF 불확실성과 잠재적 새로운 물리학 신호를 구분할 수 있다.