[论文解读] A first determination of the strong coupling $\alpha _S$ at approximate $ extrm{N}^3$LO order in a global PDF fit

Thomas Cridge, L. A. Harland-Lang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Electromagnetic Scattering and Analysis被引用 1

一句话总结

本论文通过同时拟合质子部分子分布函数（PDFs），首次实现了在近似N3LO阶次下的强耦合常数αS的全局确定，得到αS(MZ²) = 0.1170 ± 0.0016。结果展现出优异的微扰展开收敛性，与NNLO阶次结果一致，且理论不确定性更为合理，证实了不同喷胶数据选择下的一致性，验证了aN3LO PDF拟合的可靠性。

ABSTRACT

We present the first determination of the value of the strong coupling via a simultaneous global fit of the proton parton distribution functions (PDFs) at approximate N$^{3}$LO (aN$^{3}$LO) order in QCD. This makes use of the MSHT global PDF fitting framework, and in particular the recent theoretical advances that allow a PDF fit to now be performed at this order. The value of the strong coupling is found to be $\alpha_S(M_Z^2)$(aN$^{3}$LO)$ = 0.1170 \pm 0.0016$. This is in excellent agreement with the NNLO value of $\alpha_S(M_Z^2)$(NNLO) $= 0.1171 \pm 0.0014$, indicating that good perturbative convergence has been found. The resulting uncertainties, calculated using the MSHT dynamic tolerance procedure, are somewhat larger, but more accurate, at aN$^{3}$LO, due to the missing higher order theoretical uncertainties that are included at this order, but not at NNLO. We in addition present a detailed breakdown of the individual dataset sensitivity to the value of the strong coupling, with special focus on the impact of fitting dijet rather than inclusive jet data. This choice is found to have a non-negligible impact, but with overall good consistency found, especially at aN$^{3}$LO.

研究动机与目标

• 在量子色动力学中，首次实现质子PDFs与αS在近似N3LO（aN3LO）阶次下的联合全局拟合。
• 评估aN3LO阶次下理论不确定性的贡献，特别是NNLO阶次缺失的高阶校正的影响。
• 评估αS对全局拟合中选择总截面喷胶与二喷胶数据的敏感性。
• 比较NNLO与aN3LO阶次下αS的微扰收敛性，并验证aN3LO提取结果的可靠性。

提出的方法

• 采用MSHT全局PDF拟合框架，将理论输入扩展至近似N3LO阶次，包含已知的N3LO系数函数与分裂数函数。
• 应用MSHT动态容差程序计算PDF不确定性，同时纳入实验与理论不确定性。
• 对包含LHC喷胶、Drell-Yan及深度非弹性散射数据的综合数据集进行联合拟合，将αS(MZ²)作为自由参数处理。
• 通过比较使用总截面喷胶数据与二喷胶数据的结果，评估对不同喷胶测量的敏感性与一致性。
• 对CMS与ATLAS喷胶数据采用更新的处理方式，包括统计相关性与改进的误差定义。
• 通过初步的N3LO分裂数函数更新验证结果，确认与主要发现的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全局拟合中，当与PDFs同时提取时，强耦合常数αS(MZ²)在近似N3LO阶次下的值是多少？
• RQ2 与NNLO阶次相比，aN3LO阶次下理论不确定性的引入如何影响αS(MZ²)的不确定性？
• RQ3 αS(MZ²)的提取结果对全局拟合中选择总截面喷胶与二喷胶数据的敏感性如何？
• RQ4 αS(MZ²)的微扰收敛性在aN3LO阶次是否趋于稳定，表明QCD级数已收敛？
• RQ5 近期在N3LO分裂数函数与矩阵元方面的理论进展，对αS(MZ²)的确定有多大影响？

主要发现

• 首次在近似N3LO阶次下实现αS(MZ²)的全局确定，结果为0.1170 ± 0.0016，与NNLO阶次结果0.1171 ± 0.0014高度一致。
• aN3LO阶次的不确定性略大于NNLO阶次，但更为准确，因为它现在包含了NNLO阶次缺失的高阶理论不确定性。
• 结果对喷胶数据选择具有鲁棒性：使用二喷胶数据时，得到αS(MZ²) = 0.1170 ± 0.0013，与总截面喷胶结果几乎完全一致。
• 在aN3LO阶次下，拟合展现出更优的微扰收敛性，当使用总截面喷胶数据时，从NNLO到aN3LO阶次，αS(MZ²)值无显著变化。
• 初步检查使用更新的N3LO分裂数函数，结果与主结论一致，支持了aN3LO提取的可靠性。
• 本研究表明，αS(MZ²)的确定在aN3LO阶次下收敛性已基本实现，更高阶次预计不会带来显著变化。