[论文解读] Combination and QCD analysis of charm and beauty production cross-section measurements in deep inelastic $ep$ scattering at HERA

Zeus collaborations|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用 6

一句话总结

本文结合了 HERA 上 H1 与 ZEUS 实验的粲夸克和底夸克产生截面测量结果，通过近似领先阶 QCD 分析，确定了粲夸克和底夸克的运行质量。联合数据提高了精度，得到 $ m_c(m_c) = 1.290^{+0.046}_{-0.041} \text{ GeV} $ 和 $ m_b(m_b) = 4.049^{+0.104}_{-0.109} \text{ GeV} $，并详细分解了来自实验、拟合、模型和参数化来源的不确定性。

ABSTRACT

Measurements of open charm and beauty production cross sections in deep inelastic $ep$ scattering at HERA from the H1 and ZEUS Collaborations are combined. Reduced cross sections are obtained in the kinematic range of negative four-momentum transfer squared of the photon $2.5$ GeV$^2<Q^2<2000$ GeV$^2$ and Bjorken scaling variable $3\cdot10^{-5}<x_{ ext{Bj}}<5\cdot10^{-2}$. The combination method accounts for the correlations of the statistical and systematic uncertainties among the different datasets. Perturbative QCD calculations are compared to the combined data. A next-to-leading order QCD analysis is performed using these data together with the combined inclusive deep inelastic scattering cross sections from HERA. The running charm- and beauty-quark masses are determined as $m_c(m_c) = 1.290^{+0.046}_{-0.041} ext{(exp/fit)}^{+0.062}_{-0.014} ext{(model)}^{+0.003}_{-0.031} ext{(parameterisation)}$ GeV and $m_b(m_b) = 4.049^{+0.104}_{-0.109} ext{(exp/fit)}^{+0.090}_{-0.032} ext{(model)}^{+0.001}_{-0.031} ext{(parameterisation)}$~GeV.

研究动机与目标

• 将 HERA 上 H1 与 ZEUS 实验的开粲夸克和底夸克产生截面测量结果进行结合，以提升统计与系统误差的精度。
• 利用联合数据以及来自 HERA 的深度非弹性散射截面，开展近似领先阶 QCD 分析。
• 通过与微扰 QCD 预测值拟合，以更高精度确定粲夸克和底夸克的运行质量。
• 量化并分离质量测定中的不确定性，划分为实验、拟合、模型和参数化四类来源。

提出的方法

• 从 $2.5 \, \text{GeV}^2 < Q^2 < 2000 \, \text{GeV}^2$ 和 $3 \cdot 10^{-5} < x_{\text{Bj}} < 5 \cdot 10^{-2}$ 的深度非弹性 $ep$ 散射数据中提取简化截面。
• 采用一种考虑 H1 与 ZEUS 数据集之间统计与系统误差相关性的组合方法。
• 将近似领先阶微扰 QCD 计算结果与联合数据进行比较，以验证理论预测。
• 使用联合的粲夸克与底夸克数据，以及来自 HERA 的深度非弹性散射截面，进行全局 QCD 拟合。
• 通过数据拟合提取运行夸克质量 $m_c(m_c)$ 与 $m_b(m_b)$，并将其不确定性分解为实验、拟合、模型与参数化四类来源。

实验结果

研究问题

• RQ1 H1 与 ZEUS 实验在 HERA 上联合的粲夸克与底夸克产生截面测量结果的精度如何？
• RQ2 近似领先阶 QCD 预测对联合的开粲夸克与底夸克产生数据的描述程度如何？
• RQ3 所得到的运行粲夸克与底夸克质量值是多少？其不确定性如何分解？
• RQ4 统计与系统误差之间的相关性如何影响最终的联合结果与质量提取？

主要发现

• 联合数据得到的运行粲夸克质量为 $ m_c(m_c) = 1.290^{+0.046}_{-0.041} \text{ GeV} $，其不确定性主要来自实验与拟合来源。
• 运行底夸克质量确定为 $ m_b(m_b) = 4.049^{+0.104}_{-0.109} \text{ GeV} $，实验与拟合不确定性贡献显著。
• 模型依赖性不确定性对 $m_c(m_c)$ 贡献 $^{+0.062}_{-0.014}$ GeV，对 $m_b(m_b)$ 贡献 $^{+0.090}_{-0.032}$ GeV。
• 参数化不确定性较小，对 $m_c(m_c)$ 贡献 $^{+0.003}_{-0.031}$ GeV，对 $m_b(m_b)$ 贡献 $^{+0.001}_{-0.031}$ GeV。
• 联合分析通过利用相关误差与一致的 QCD 框架，提升了运行夸克质量的测定精度。