[论文解读] A direct probe of the intrinsic charm content of the proton

T. Boettcher, P. Ilten+1 more|DSpace@MIT (Massachusetts Institute of Technology)|Dec 21, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文通过大型强子对撞机底夸克实验（LHCb）在前向区域对质子中内在底夸克（IC）的直接探测，提出了对 $Z$-玻色子与粲夸克喷注（$Zc$）产生的精确测量。利用NLO计算与模拟，结果表明在LHC运行2和3期间，LHCb可探测到价夸克型IC，其平均值 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 0.3\%$，以及海夸克型IC，其平均值 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 1\%$，从而为非微扰底夸克组分及其对希格斯玻色子产生影响提供敏感检验。

ABSTRACT

Measurement of $Z$ bosons produced in association with charm jets $(Zc)$ in proton-proton collisions in the forward region provides a direct probe of a potential non-perturbative (intrinsic) charm component in the proton wave function. We provide a detailed study of the potential to measure $Zc$ production at the LHCb experiment in Runs 2 and 3 of the LHC. The sensitivity to valence-like (sea-like) intrinsic charm is predicted to be $\langle x angle_{ m IC} \gtrsim 0.3\%(1\%)$. The impact of intrinsic charm on Higgs production at the LHC, including $Hc$, is also discussed in detail.

研究动机与目标

• 通过高精度的 $Zc$ 产生测量，为质子波函数中非微扰内在底夸克（IC）提供直接实验探测。
• 评估LHCb实验在运行2和3期间对大动量分数（$x$）下价夸克型和海夸克型IC组分的探测灵敏度。
• 量化IC对希格斯玻色子产生截面的影响，特别是对 $Hc$ 产生的影响，并对底夸克汤川耦合进行约束。
• 独立于IC发现，检验从低-$Q$ DIS到电弱尺度的底夸克DGLAP演化。
• 将该方法扩展至 $Wc$ 产生，通过电荷不对称性测量探测大-$x$奇异夸克PDF。

提出的方法

• 使用CT14 NNLO PDF集合与PowhegBox矩阵元，进行下一阶修正（NLO）计算，以模拟 $pp$ 碰撞中的 $Zc$ 产生。
• 通过aMC@NLO以及不同的喷注生成方法（Powheg与FxFx）进行交叉验证，以确保理论结果的稳健性。
• 利用Pythia模拟探测器响应，包括部分子喷注、强子化及通过EvtGen的衰变，使用Photos处理QED辐射。
• 聚焦于 $Z \to \mu\mu$ 衰变道，且 $60 < m(\mu\mu) < 120\,\text{GeV}$，以减少背景并提高信号纯度。
• 将比值 $Z^{c}_{j} \equiv \sigma(Zc)/\sigma(Zj)$ 定义为关键可观测量，以降低实验与理论不确定性。
• 分析前向区域（$|\eta| > 2$），以最大化对大-$x$ 底夸克的敏感性，充分发挥LHCb在前向追踪与 $c$-喷注识别方面的优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb在前向区域的 $Zc$ 产生能否为质子中的内在底夸克提供直接且灵敏的探测？
• RQ2 在LHC运行2和3期间，LHCb可探测到的最小内在底夸克组分（以 $\langle x\rangle_{\rm IC}$ 表示）是多少？
• RQ3 内在底夸克如何影响希格斯玻色子产生截面，特别是 $Hc$ 产生？
• RQ4 内在底夸克在多大程度上改变了从低-$Q$ DIS到高-$Q$ 尺度的底夸克DGLAP演化？
• RQ5 LHCb中的 $Wc$ 产生能否通过电荷不对称性测量探测大-$x$ 奇异夸克PDF？

主要发现

• 预测表明，LHCb在运行2和3期间对价夸克型内在底夸克的探测灵敏度可达 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 0.3\%$。
• 对海夸克型内在底夸克的探测灵敏度预计可达 $\langle x\rangle_{\rm IC} \gtrsim 1\%$。
• 内在底夸克对 $Hc$ 产生的影响，与将底夸克汤川耦合增加约 $25\%$ 相当，使 $Hc$ 成为探测IC的敏感探针。
• 对于SEA2 IC模型，当 $Y_c = 0$ 时，$\sigma(Hc)$ 与无IC情况下 $Y_c \approx 0.7\,Y_c^{\rm SM}$ 的情况一致，表明IC与汤川耦合之间存在强烈相互作用。
• 即使不存在IC，$Zc$ 测量本身也将对从低-$Q$ DIS到电弱尺度的底夸克DGLAP演化提供关键检验。
• $Z^{c}_{j}$ 比值对实验与理论不确定性的敏感度低于 $\sigma(Zc)$，因此是探测IC灵敏度的理想可观测量。