[论文解读] Gluon PDF constraints from the ratio of forward heavy quark production at the LHC at \sqrt{S}=7 and 13 TeV

Matteo Cacciari, Michelangelo L. Mangano+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 30被引用 36

一句话总结

本文提出利用LHC在7 TeV与13 TeV能量下前向重夸克产生率的比值来约束胶子部分子分布函数（PDF），显著降低理论不确定性。通过利用部分子动量分数随能量变化的标度特性，该方法抑制了尺度和质量相关的不确定性，使在小-x与大-x区域均能以接近百分之几的理论精度对胶子PDF进行精确约束。

ABSTRACT

We discuss production of charm and bottom quarks at forward rapidity in pp collisions at the LHC, updating the QCD predictions for the run at \sqrt{S}=13 TeV. We show that, while the absolute rates suffer from large theoretical systematics, dominated by scale uncertainties, the increase relative to the rates precisely measured at 7 TeV can be predicted with an accuracy of a few percent, sufficient to highlight the sensitivity to the gluon distribution function.

研究动机与目标

• 解决高能LHC运行中绝对重夸克截面预测存在的巨大理论不确定性，特别是尺度和质量依赖性问题。
• 克服绝对产生率受理论系统误差主导的局限性，使其不适合用于高精度PDF约束。
• 利用√s = 7 TeV与13 TeV下前向重夸克（粲与底）产生率的比值，降低对尺度与质量变化的敏感性。
• 利用LHCb与ALICE实验的运动学分布，在小-x与大-x区域实现对胶子PDF的精确约束。
• 利用现有的7 TeV数据高精度预测13 TeV的产生率，从而为未来PDF拟合提供对胶子动力学更高灵敏度的途径。

提出的方法

• 使用FONLL（固定阶加对数重求和）计算，计算√s = 13 TeV下pp碰撞中粲夸克与底夸克产生的包含微分截面。
• 针对固定的运动学构型，构建微分截面比值（例如，13 TeV下的dσ/dη / 7 TeV下的dσ/dη），以消除尺度与质量相关的不确定性。
• 利用在固定快度下，部分子x满足x ∝ pT / √s的特性，使得相同的末态运动学在不同质心系能量下探测不同的x区域。
• 通过关联7 TeV与13 TeV的PDF集合，确保演化一致性，并增强对x相关胶子分布的敏感性。
• 利用截面比值来隔离对胶子PDF的敏感性，因为该比值对重整化与因子化尺度变化的依赖性极低。
• 将预测结果与现有的7 TeV数据进行验证，并预测13 TeV测量的预期精度，重点关注前向快度区域（|y| > 4）。

实验结果

研究问题

• RQ1 13 TeV与7 TeV下前向重夸克产生率的比值能否使QCD预测的理论不确定性降低至5%以下？
• RQ2 此类比值在小-x（x < 10⁻⁵）与大-x（x > 0.2）区域对胶子PDF的约束能力有多强？
• RQ3 部分子动量分数的能量依赖性（x ∝ pT / √s）如何影响截面比值对PDF变化的敏感性？
• RQ4 利用7 TeV数据通过截面比值预测13 TeV重夸克产生率的理论精度如何？
• RQ5 尽管绝对产生率存在巨大不确定性，该比值方法是否能实现从LHCb与ALICE数据中精确提取胶子PDF？

主要发现

• 13 TeV与7 TeV下前向重夸克产生截面比值的理论不确定性可控制在5%以下，主要受限于PDF变化。
• 与绝对截面相比，该比值的尺度依赖性被抑制超过50%，不确定性从约100%（粲夸克）和约50%（底夸克）降至百分之几。
• 该方法在小-x（x < 10⁻⁵）与大-x（x > 0.2）区域均对胶子PDF具有敏感性，而这些区域的数据覆盖稀疏。
• 在13 TeV下，B⁺产生（pT > 0）的dσ/dη比值在η = 0处约为1.65，随η增加至6.00时上升至约3.12，体现出强烈的能量与快度依赖性。
• 该比值对重夸克质量与碎片化函数的变化具有鲁棒性，这些效应在比值中相互抵消，使系统误差降至可忽略水平。
• 该方法可利用现有的7 TeV数据与未来的13 TeV测量，对胶子PDF实现高精度检验，为改进全球PDF拟合提供了切实可行的路径。