[论文解读] Determination of the strong coupling constant from inclusive jet cross section data from multiple experiments

D. Britzger, K. Rabbertz+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 1, 2017

Astrophysics and Cosmic Phenomena参考文献 86被引用 9

一句话总结

本论文提出了一种统一的统计框架，利用下一阶微扰量子色动力学（NLO pQCD）预测，从多个高能物理实验（ATLAS、CDF、CMS、D0、H1、STAR、ZEUS）的包含性喷胶子截面数据中提取强耦合常数 αₛ(M_Z)。通过整合来自不同对撞机和动量空间区域的数据，该方法将 αₛ(M_Z) 的实验不确定性降低至 1.0%，展示了各数据集之间的一致性，并为未来下一下一阶（NNLO）的确定奠定了基础。

ABSTRACT

Inclusive jet cross section measurements from the ATLAS, CDF, CMS, D0, H1, STAR, and ZEUS experiments are explored for determinations of the strong coupling constant $α_{ ext{s}}(M_{ ext{Z}})$. Various jet cross section data sets are reviewed, their consistency is examined, and the benefit of their simultaneous inclusion in the $α_{ ext{s}}(M_{ ext{Z}})$ determination is demonstrated. Different methods for the statistical analysis of these data are compared and one method is proposed for a coherent treatment of all data sets. While the presented studies are based on next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics (pQCD), they lay the groundwork for determinations of $α_{ ext{s}}(M_{ ext{Z}})$ at next-to-next-to-leading order.

研究动机与目标

• 开发一种一致的统计框架，用于整合多个实验的包含性喷胶子截面数据，以提取 αₛ(M_Z)。
• 评估不同对撞机、质心系能量和初始态下包含性喷胶子数据的一致性。
• 通过同时分析多个数据集，降低 αₛ(M_Z) 的实验不确定性。
• 为未来在 pQCD 中下一下一阶（NNLO）的 αₛ(M_Z) 确定建立基础。
• 评估理论不确定性（特别是规范标度依赖性）对最终 αₛ(M_Z) 提取的影响。

提出的方法

• 提出一种新的统计提取方法，结合了 CMS、D0 和 H1 合作组所使用现有 αₛ(M_Z) 确定技术的要素。
• 该方法应用 NLO pQCD 预测，并采用 NNPDF3.0 PDF 集合，为每个数据集计算理论截面。
• 对喷胶子能量标度、PDF 集合以及非微扰修正的系统性不确定性在所有实验中进行一致评估。
• 分析中包含了非微扰修正，以及在相关情况下还包含电弱修正，以提高理论精度。
• 对 CDF、CMS、D0、H1、STAR 和 ZEUS 的数据进行了联合拟合，排除了 ATLAS 因其数据集存在不一致性。
• 将不确定性预算分解为实验、PDF 集合、标度和理论分量，以评估其相对贡献。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在 NLO pQCD 预测下，将多个实验的包含性喷胶子截面数据一致地整合到单一 αₛ(M_Z) 提取中？
• RQ2 与仅使用单一数据集相比，同时分析多个实验数据集时，αₛ(M_Z) 的实验不确定性降低了多少？
• RQ3 对同一组数据集应用不同 αₛ(M_Z) 提取方法时，其结果和系统性不确定性的差异如何？
• RQ4 在 NLO pQCD 水平下，不同实验（如 pp、p̄p、ep）的包含性喷胶子截面测量在多大程度上相互一致？
• RQ5 当前基于包含性喷胶子数据的 αₛ(M_Z) 确定中，主要不确定性来源是什么？未来 NNLO 计算将如何降低该不确定性？

主要发现

• 对 CDF、CMS、D0、H1、STAR 和 ZEUS 数据的联合拟合将 αₛ(M_Z) 的实验不确定性降低至 1.0%，相比仅使用最精确的单一数据集时的 1.9% 显著降低。
• 提取的 αₛ(M_Z) 值为 0.1192，其总不确定性主要由规范标度依赖性主导，该不确定性超过其他任何单一不确定性的三倍以上。
• 所有选定的数据集均能被 αₛ(M_Z) = 0.1192 的 NLO pQCD 预测良好描述，表明实验与动量空间区域之间具有良好的一致性。
• 各独立数据集的结果彼此一致，且与世界平均值一致，未观察到显著张力。
• 由于存在不一致性，ATLAS 数据集被排除在共同拟合之外，但单独拟合得到的结果与此兼容。
• 本研究为未来在 NNLO 下的 αₛ(M_Z) 确定建立了稳健框架，并建议以一致方式重新评估非微扰修正。