[论文解读] Combination of Measurements of Inclusive Deep Inelastic $e^{\pm}p$ Scattering Cross Sections and QCD Analysis of HERA Data

H, Zeus collaborations|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 40被引用 137

一句话总结

本文展示了对HERA上H1与ZEUS实验的包容性深度非弹性散射截面的全局组合，考虑了系统不确定性的相关性。组合数据使下一阶下一阶微扰QCD分析成为可能，从而得到HERAPDF2.0全局部分子分布函数，精确提取了αs(MZ) = 0.1183 ± 0.0009 (实验) ± 0.0005 (模型) ± 0.0012 (强子化) +0.0037/-0.0030 (尺度)。

ABSTRACT

A combination is presented of all inclusive deep inelastic cross sections previously published by the H1 and ZEUS collaborations at HERA for neutral and charged current $e^{\pm}p$ scattering for zero beam polarisation. The data were taken at proton beam energies of 920, 820, 575 and 460 GeV and an electron beam energy of 27.5 GeV. The data correspond to an integrated luminosity of about 1 fb$^{-1}$ and span six orders of magnitude in negative four-momentum-transfer squared, $Q^2$, and Bjorken $x$. The correlations of the systematic uncertainties were evaluated and taken into account for the combination. The combined cross sections were input to QCD analyses at leading order, next-to-leading order and at next-to-next-to-leading order, providing a new set of parton distribution functions, called HERAPDF2.0. In addition to the experimental uncertainties, model and parameterisation uncertainties were assessed for these parton distribution functions. Variants of HERAPDF2.0 with an alternative gluon parameterisation, HERAPDF2.0AG, and using fixed-flavour-number schemes, HERAPDF2.0FF, are presented. The analysis was extended by including HERA data on charm and jet production, resulting in the variant HERAPDF2.0Jets. The inclusion of jet-production cross sections made a simultaneous determination of these parton distributions and the strong coupling constant possible, resulting in $α_s(M_Z)=0.1183 \pm 0.0009 { m(exp)} \pm 0.0005{ m (model/parameterisation)} \pm 0.0012{ m (hadronisation)} ^{+0.0037}_{-0.0030}{ m (scale)}$. An extraction of $xF_3^{γZ}$ and results on electroweak unification and scaling violations are also presented.

研究动机与目标

• 将HERA上H1与ZEUS实验的全部包容性深度非弹性散射截面进行组合，覆盖广泛的Q²与Bjorken x范围。
• 在H1与ZEUS数据集之间考虑系统不确定性的相关性，以提高组合截面的精度。
• 在Leading-Order、Next-to-Leading-Order与Next-to-Next-to-Leading-Order进行全局QCD分析，以更精确地确定部分子分布函数(PDFs)。
• 评估提取的PDF中模型与参数化形式的不确定性，包括替代的胶子参数化与固定味数方案。
• 通过引入HERA上底夸克与喷注产生数据，扩展分析以同时确定PDF与强耦合常数αs(MZ)。

提出的方法

• 组合HERA上H1与ZEUS实验的e⁺p与e⁻p散射截面，质子束能量分别为920、820、575与460 GeV，电子束能量为27.5 GeV。
• 评估并包含H1与ZEUS测量中系统不确定性的相关性，以确保误差传播的一致性。
• 利用组合截面在LO、NLO与NNNLO进行全局QCD拟合，以提取部分子分布函数，最终得到HERAPDF2.0。
• 引入变体：HERAPDF2.0AG采用替代胶子参数化形式，HERAPDF2.0FF采用固定味数方案。
• 将分析扩展至包含HERA上底夸克与喷注产生数据，以实现PDF与αs(MZ)的同时确定。
• 采用全局拟合框架，分别提取实验、模型/参数化、强子化与尺度变化带来的不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑系统相关性的情况下，H1与ZEUS在HERA上包容性深度非弹性散射截面的最精确组合是什么？
• RQ2 组合后的HERA数据在QCD的下一阶下一阶微扰展开下如何约束部分子分布函数？
• RQ3 在包含喷注与底夸克产生数据的全局拟合中，提取的强耦合常数αs(MZ)的精度如何？
• RQ4 模型与参数化不确定性如何影响提取的部分子分布函数的可靠性？
• RQ5 尺度演化违反与电弱统一检验在多大程度上约束了高动量转移下质子结构？

主要发现

• 组合截面覆盖了Q²与Bjorken x六个数量级的范围，积分亮度约为1 fb⁻¹。
• 全局QCD分析得到HERAPDF2.0，这是在NNNLO下新的部分子分布函数集合，具有全面的不确定性估计。
• 强耦合常数提取结果为αs(MZ) = 0.1183 ± 0.0009 (实验) ± 0.0005 (模型/参数化) ± 0.0012 (强子化) +0.0037/-0.0030 (尺度)。
• 变体HERAPDF2.0Jets包含喷注与底夸克产生数据，实现了PDF与αs(MZ)的同时确定。
• 分析精确提取了xF₃^γZ结构函数，并对深度非弹性散射中的尺度演化违反进行了检验。
• 结果支持QCD在高能区的有效性，并为HERA能量下的电弱统一提供了强约束。