[论文解读] Parton Distributions and the LHC: W and Z Production

A. D. Martin, Richard G. Roberts+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 1999

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 21

一句话总结

本文研究了在LHC上W和Z玻色子产生截面对于部分子分布函数（PDFs）、强耦合常数αₛ以及海夸克分布的不确定性敏感性。利用MRST99 PDF集合，表明PDF不确定性——尤其是来自胶子和海夸克分布的不确定性——会导致截面预测出现微小但不可忽略的变化，从而使W/Z测量成为约束PDF及其演化的重要工具。

ABSTRACT

W and Z bosons will be produced copiously at the LHC proton-proton collider. We study the parton distribution dependence of the total production cross sections and rapidity distributions, paying particular attention to the uncertainties arising from uncertainties in the parton distributions themselves. Variations in the gluon, the strong coupling, the sea quarks and the overall normalisation are shown to lead to small but non-negligible variations in the cross section predictions. Ultimately, therefore, the measurement of these cross sections will provide a powerful cross check on our knowledge of parton distributions and their evolution.

研究动机与目标

• 评估部分子分布函数（PDF）不确定性对LHC上W和Z玻色子产生截面的影响。
• 量化胶子、海夸克和强耦合常数分布变化对理论预测的影响。
• 评估LHC上W/Z测量作为PDF知识及其演化验证手段的潜力。
• 将MRST99 PDF集合与CTEQ5集合进行比较，突出在高Q²下海夸克和胶子含量的差异。
• 确保在新MRST99集合中PD F演化和动量和规则守恒的数值精度。

提出的方法

• 使用MRST99全球拟合部分子分布，整合了更新的数据，包括ZEUS 1995 SVX数据和更高的粲夸克质量（1.43 GeV）。
• 在$\overline{\rm MS}$方案中应用DGLAP演化方程，将PDF从$Q_0^2 = 1$ GeV²演化至LHC尺度的$Q^2$值。
• 系统性地改变关键参数：通过$\langle k_T \rangle$调整胶子分布，改变$\alpha_S(M_Z^2)$，以及整体归一化，生成替代PDF集合。
• 使用NLO QCD和已知的电弱参数，计算$\sqrt{s} = 14$ TeV下W和Z产生在总截面和快度微分截面的数值。
• 通过比较MRST99、CTEQ5M和CTEQ5HQ PDF集合的结果，评估一致性并识别差异。
• 通过数值积分$\int x f_i(x,Q^2) dx$验证每种部分子种类在$Q^2$演化过程中动量和规则的守恒。

实验结果

研究问题

• RQ1 胶子和海夸克分布的不确定性在多大程度上影响LHC上W和Z玻色子截面预测？
• RQ2 αₛ和整体归一化的变化在多大程度上影响预测截面？
• RQ3 在高Q²下，MRST99 PDF集合与CTEQ5集合在海夸克和胶子含量方面有何差异？
• RQ4 LHC上W和Z产生测量能否对PDF不确定性提供有意义的约束？
• RQ5 MRST99 PDF演化在$Q^2$范围内在多大程度上保持了动量守恒？

主要发现

• 与MRST98相比，MRST99 PDF集合在动量守恒方面表现更优，在$Q^2 = 10^4$ GeV²时，总动量分数偏离1%不足0.5%。
• 在$Q^2 = 10^4$ GeV²时，MRST99胶子分布比CTEQ5M低约1.5%，比CTEQ5HQ低1.2%。
• 在$Q^2 \sim 10^4$ GeV²时，MRST99海夸克分布比CTEQ5M低1–4%，其中$u$和$d$海夸克的差异最大。
• 在高$x$区域胶子分布和αₛ的变化导致W和Z产生的截面不确定性达到±3–5%量级。
• 在MRST99中引入ZEUS 1995 SVX数据和更高的粲夸克质量（1.43 GeV）改善了对$F_2$粲结构函数数据的描述。
• MRST99代码准确再现了标准DGLAP演化，并在$Q^2$演化过程中保持了与精确动量守恒的一致性。