[论文解读] Hard Scattering Based Luminosity Measurement at Hadron Colliders

Walter T. Giele, S. Keller|ArXiv.org|Apr 4, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文提出了一种在强子对撞机上使用W和Z玻色子事件数的同步计数来测量亮度的新方法，利用部分子分布函数（PDF）不确定度以提高精度。通过将矢量玻色子产生与顶夸克对截面相关联，该方法减少了与亮度相关的理论不确定度，在D0 Run 1b数据中实现了67%的置信水平，显示出与实验结果的高度一致性，并具有替代传统亮度测量技术的潜力。

ABSTRACT

A strategy to determine the luminosity at Hadron Colliders is discussed using the simultaneous W-boson and Z-boson event counts. The emphasis of the study will be on the uncertainty induced by the parton density functions. Understanding this source of uncertainties is crucial for a reliable luminosity determination using the W-boson and Z-boson events. As an example we will use the D0 run 1 results to extract the luminosity using the vector boson events and compare the result with the traditional method. Subsequently we will look at the implications for the top cross section uncertainties using the extracted luminosity.

研究动机与目标

• 开发一种在强子对撞机上通过利用硬散射过程来减少理论不确定度的亮度测量方法。
• 量化部分子分布函数（PDF）不确定度对强子对撞机上W和Z玻色子截面预测的影响。
• 在比较多种硬散射过程（如W/Z玻色子与顶夸克对产生）时，实现亮度不确定度的关联抵消。
• 使用D0 Run 1a和1b数据验证该方法，证明其与实验结果的一致性。
• 评估该基于PDF和截面的方法在未来实验中替代传统亮度测量的潜力。

提出的方法

• 该方法通过同时计数W和Z玻色子事件来推断亮度，利用其截面比与亮度无关的特性。
• 采用优化的PDF集合（H1+BCDMS+E665-MRST）来建模部分子密度不确定度，并通过DYRAD蒙特卡罗程序执行下一阶近似（NLO）截面计算。
• 通过在PDF集合上积分，推导出亮度的概率密度函数，结合实验响应函数以考虑探测器效率和分辨率。
• 通过PDF副本的蒙特卡罗求和，将亮度不确定度传播至顶夸克对产生预测，确保理论处理的一致性。
• 利用预测与观测事件数重叠所导出的置信水平，验证其与理论和数据的一致性。
• 通过PDF依赖的理论模型隐式处理探测器接受度修正，但若未完全相关，则可能引入潜在偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于W和Z玻色子事件率的亮度测量方法能否实现与传统方法相当或更优的精度？
• RQ2 PDF不确定度如何影响强子对撞机上W和Z玻色子截面的理论预测？
• RQ3 通过与W/Z玻色子数据关联，能在多大程度上减少顶夸克对截面测量中的亮度不确定度？
• RQ4 通过包含多个相互一致的PDF数据集，能否提高亮度确定的置信水平？
• RQ5 该方法是否适合在未来对撞机实验（如LHC）中替代传统亮度测量？

主要发现

• D0 Run 1b的积分亮度被确定为80.3+2.3-2.8 pb⁻¹，置信水平为67%，表明数据与基于PDF的预测高度一致。
• 预测的W玻色子截面为2.44±0.07 nb，与D0测量值一致，置信水平为26%，验证了PDF集合的可靠性。
• 预测的Z玻色子截面为0.232+0.007-0.006 nb，对应D0 Run 1b测量的置信水平为34%。
• 通过利用相关PDF不确定度，该方法在顶夸克对截面比较中减少了亮度不确定度，使观测到的顶夸克对计数的置信水平达到53%。
• 引入多个PDF数据集（H1+BCDMS+E665-MRST）增强了亮度确定的稳健性，并降低了系统性偏差。
• 该方法展示了替代传统亮度测量的潜力，因其对理论不确定度具有更优的控制能力，并具备内在的关联抵消特性。