[论文解读] Constraints on the intrinsic charm content of the proton from recent ATLAS data

V. A. Bednyakov, Stanley J. Brodsky+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 25, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用√s = 8 TeV下pp碰撞的ATLAS数据，首次直接约束了质子的内在 charm夸克成分。通过分析具有 charm-jet末态的即时光子产生过程，研究结合了kT因子化与共线因子化方法的QCD联合处理，得出在68%置信水平下wc¯c < 1.93%的上限，该结果主要受理论和实验不确定性的限制。

ABSTRACT

Constraints on the intrinsic charm probability $\omega_{\overline{cc}}= P_{\mathrm{c}\overline{c} /\mathrm{p}}$ in the proton are obtained for thefirst time from LHC measurements. The ATLAS Collaboration data for the production of prompt photons, accompanied by a charm-quark jet in pp collisions at $\sqrt{s}$= 8 TeV, are used. The upper limit $\omega_{\overline{cc}}$ &lt; 1.93 % is obtained at the 68 % confidence level. This constraint is primarily determined from the theoretical scale and systematical experimental uncertainties. Suggestions for reducing these uncertainties are discussed. The implications of intrinsic heavy quarks in the proton for futurestudies at the LHC are also discussed.

研究动机与目标

• 利用高能LHC数据检验质子中内在底夸克（IC）假说。
• 基于实验测量，约束质子中内在底夸克概率wc¯c = Pc¯c/p。
• 通过结合kT因子化与共线QCD方法，减少IC提取过程中的理论和实验不确定性。
• 为未来涉及内在重夸克的LHC研究提供基准参考。

提出的方法

• 利用ATLAS在√s = 8 TeV下关于即时光子产生并伴随一个c-夸克喷注的数据。
• 采用联合QCD方法：在小-x区域使用kT因子化，在大-x区域使用共线因子化。
• 通过O(ααs)的Compton散射过程cg∗→γc建模内在底夸克，其中胶子为非壳上（off-shell），夸克为壳上（on-shell）。
• 通过O(αα2s)的非壳上胶子融合过程g∗g∗→γc¯c，模拟传统的微扰论底夸克贡献。
• 利用CTEQ66M、CTEQ66c0和CTEQ66c1组，对wc¯c = 0、1和3.5%时的部分子分布函数进行三点插值。
• 采用Sherpa蒙特卡罗生成器与解析QCD计算相结合，模拟并对比实验数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于近期LHC数据，质子中内在底夸克概率wc¯c的上限是多少？
• RQ2 理论和实验不确定性如何影响从即时光子 + c-喷注数据中提取内在底夸克的过程？
• RQ3 结合kT因子化与共线QCD方法是否能提高对内在底夸克信号的探测灵敏度？
• RQ4 内在底夸克对LHC中Higgs粒子产生及高能宇宙射线相互作用有何影响？

主要发现

• 基于ATLAS对即时光子 + c-喷注产生的数据，质子中内在底夸克概率被约束为wc¯c < 1.93%，置信水平为68%。
• 该上限主要由理论尺度不确定性和实验系统性不确定性决定，而非统计涨落。
• 联合QCD方法——在小-x区域使用kT因子化，在大-x区域使用共线因子化——为IC提取提供了稳健的框架。
• 研究证实，当wc¯c ≤ 1.93%时，内在与外在底夸克贡献之间的干涉效应可忽略不计。
• 结果支持BHPS模型对内在底夸克概率在1–2%范围内的预测。
• 降低不确定性的建议包括改进横动量依赖性的建模，以及提升喷注与光子重建的实验精度。