[论文解读] Charm production in the forward region: constraints on the small-x gluon and backgrounds for neutrino astronomy

R. Gauld, Juan Rojo+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 26, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文提出了前导对数（NLO）微扰QCD对前向底夸克和粲夸克产生的预测，经7 TeV LHCb数据验证。利用这些数据约束小x区域的胶子部分子分布函数（PDF），显著降低了其不确定性，并为13 TeV LHCb测量和13/7 TeV截面比值提供了改进的预测，从而实现对中微子天文中粲夸克诱导中微子背景更稳健的估计。

ABSTRACT

The recent observation by the IceCube experiment of cosmic neutrinos at energies up to a few PeV heralds the beginning of neutrino astronomy. At such high energies, the conventional neutrino flux is suppressed and the prompt component from charm meson decays is expected to become the dominant background to astrophysical neutrinos. Charm production at high energies is however theoretically uncertain, both since the charm mass is at the boundary of applicability of perturbative QCD, and also because the calculations are sensitive to the poorly-known gluon PDF at small-x. In this work we provide detailed perturbative QCD predictions for charm and bottom production in the forward region, and validate them by comparing with recent data from the LHCb experiment at 7 TeV. Finding good agreement between data and theory, we use the LHCb measurements to constrain the small-x gluon PDF, achieving a substantial reduction in its uncertainties. Using these improved PDFs, we provide predictions for charm and bottom production at LHCb at 13 TeV, as well as for the ratio of cross-sections between 13 and 7 TeV. The same calculations are used to compute the energy distribution of neutrinos from charm decays in pA collisions, a key ingredient towards achieving a theoretically robust estimate of charm-induced backgrounds at neutrino telescopes.

研究动机与目标

• 通过改进对小x区域胶子PDF的约束，减少中微子天文中瞬发中微子通量预测的理论不确定性。
• 利用7 TeV时高精度的LHCb数据，验证微扰QCD对前向重夸克产生的计算。
• 基于数据驱动的PDF约束，为13 TeV LHCb的粲夸克和底夸克产生提供可靠预测。
• 计算质子-核子（pA）碰撞中由粲夸克衰变产生的中微子能量谱，作为中微子望远镜中估算瞬发背景的关键输入。
• 量化13 TeV与7 TeV之间截面比值，以评估未来测量对小x区域胶子动力学的敏感性。

提出的方法

• 采用FONLL和MadGraph5_aMC@NLO/POWHEG+Pythia8框架，计算前向粲夸克和底夸克产生的NLO QCD截面。
• 以NNPDF3.0 NLO PDF集合为输入，辅以MMHT14和CT10 PDF集合进行交叉验证，确保结果稳健性。
• 将理论预测与7 TeV时LHCb关于前向粲夸克和底夸克产生的数据进行比较，以验证计算结果。
• 通过最小化预测值与LHCb数据之间的$χ^2$，对小x区域胶子PDF进行全局拟合以实现约束。
• 将约束后的PDF应用于13 TeV截面和13/7 TeV比值的预测，使用相同的NLO框架。
• 利用相同的约束PDF和NLO QCD预测，计算pA碰撞中由粲夸克衰变产生的中微子能量谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb在7 TeV时关于前向粲夸克和底夸克产生的数据在多大程度上约束了小x区域胶子PDF？
• RQ2 NLO QCD对前向重夸克产生的预测与LHCb数据相比如何？这对理论可靠性有何含义？
• RQ3 13 TeV LHCb下粲夸克和底夸克产生的预测截面是多少？其与7 TeV相比的标度关系如何？
• RQ4 引入约束后的小x区域胶子PDF对pA碰撞中由粲夸克衰变产生的瞬发中微子通量预测有何影响？
• RQ5 前向粲夸克和底夸克产生的13 TeV与7 TeV截面比值预期为多少？该比值对PDF不确定性的敏感度如何？

主要发现

• 前向粲夸克和底夸克产生的NLO QCD预测与LHCb在7 TeV时的数据高度一致，验证了理论框架的可靠性。
• LHCb数据显著约束了小x区域胶子PDF，在$x \sim 10^{-5}$区域将其不确定性降低了最多两倍。
• 与7 TeV相比，13 TeV下$D^0$和$B^0$介子的预测截面显著增加，其比值$R_{13/7}^{D^0}$和$R_{13/7}^{B^0}$在高$p_T$区域分别达到最高2.6和4.8。
• 双微分截面比值$R_{13/7}^{B^0}$在$p_T \sim 20-30$ GeV范围内达到$\sim 4.8$，表明对小x动力学具有强敏感性。
• 使用约束后的PDF可获得更可靠的pA碰撞中由粲夸克衰变产生的瞬发中微子通量预测，理论不确定性显著降低。
• 结果表明，LHC上的前向重夸克产生是探测小x区域胶子动力学的有力工具，可直接为中微子天文学提供关键信息。