[论文解读] Limits on the effective quark radius from inclusive ep scattering & contact interactions at HERA

A. F. Żarnecki|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 2

一句话总结

本文利用高精度的HERA ep散射数据，对部分子分布函数（PDFs）和标准模型之外（BSM）的贡献进行了联合拟合，从而对有效夸克半径和接触相互作用（CI）尺度施加了更严格的约束。分析结果在95%置信水平下给出有效夸克半径的上限为0.43×10⁻¹⁶ cm，并对某些CI模型的复合尺度设定了高达10 TeV的上限，尤其在X1和AA等特定情形下，数据描述的改善尤为显著。

ABSTRACT

The high-precision HERA data allow searches for up to TeV scales "Beyond the Standard Model" contributions to electron-quark scattering. Combined H1 and ZEUS measurements of inclusive deep inelastic cross sections in neutral and charged current ep scattering are considered, corresponding to a luminosity of around 1 fb$^{-1}$. A new approach to the beyond the Standard Model analysis of the inclusive $ep$ data is presented; simultaneous fits of parton distribution functions and contributions of "new physics" processes are performed. Considered are possible deviations from the Standard Model due to a finite radius of quarks, described within the quark form-factor model, and due to new electron-quark interactions in the framework of $eeqq$ contact interactions (CI). The resulting 95% C.L. upper limit on the effective quark radius is $0.43\cdot 10^{-16}$ cm. The limits on the CI mass scale extend up to 10 TeV depending on the CI scenario.

研究动机与目标

• 通过同时拟合PDF和BSM贡献，改进电子-夸克散射中对标准模型之外（BSM）物理的约束。
• 利用形式因子模型检验有限夸克半径的假设，并提取其有效尺寸的限制。
• 评估接触相互作用（CI）对包含式ep散射截面的影响，并设定其能量尺度的限制。
• 通过与BSM参数联合拟合PDF，避免因未识别的BSM效应导致的PDF偏差。
• 采用基于复制样本的频率学方法，推导出BSM参数在95%置信水平下的稳健限制。

提出的方法

• 采用卡方最小化方法，对1.9 GeV²处的14个PDF参数和BSM参数（R²q或CI耦合η）进行联合拟合。
• 卡方函数包含统计误差、相关和不相关系统误差，系统性偏移（sj）被处理为自由参数。
• 通过在截面不确定度范围内随机变化截面值，生成蒙特卡罗复制样本，假设其服从高斯分布并具有相关性。
• 对于每个假设的R²q或η真实值，通过复制样本拟合确定：拟合得到的R²q或η小于真实数据值的概率。
• 当该概率低于5%时，将对应结果设为95%置信水平的上限，且仅针对正的R²q或η值。
• 分析使用了H1和ZEUS的包含式截面数据，总亮度约为1 fb⁻¹，基于DGLAP形式体系和HERAPDF2.0框架进行。

实验结果

研究问题

• RQ1 在95%置信水平下，基于HERA ep散射数据，有效夸克半径的上限是多少？
• RQ2 接触相互作用耦合如何影响HERA数据的描述？其复合尺度的限制结果如何？
• RQ3 未识别的BSM贡献在多大程度上导致PDF拟合产生偏差？联合拟合在多大程度上缓解了这一问题？
• RQ4 与标准模型相比，不同CI情形（如VV、AA、VA、X1）在描述数据方面的表现如何？
• RQ5 在AA和X1模型中观察到的截面偏差具有何种显著性？

主要发现

• 在95%置信水平下，有效夸克半径平方的上限为(0.43×10⁻¹⁶ cm)²，下限为-(0.47×10⁻¹⁶ cm)²，表明对零值的约束是对称的。
• 对于AA接触相互作用模型，最佳拟合耦合对应于6.2 TeV的复合尺度，标准模型下观察到更大偏差的概率仅为0.7%，对应2.5σ显著性。
• 在95%置信水平下，AA情形下负的接触相互作用耦合被排除，允许的正耦合对应于4.8至10.4 TeV的复合尺度。
• X1模型在拟合质量上改善最大，Δχ²/d.o.f.为-0.005，标准模型产生类似结果的概率仅为0.3%，表明存在显著偏离。
• 标准模型在e⁻p的高Q²区域低估了中性流DIS截面，而在e⁺p区域则略微高估了这些截面，提示这些区域可能存在BSM效应。
• PDF与BSM参数的联合拟合至关重要，因为固定PDF会导致限制结果比实际值严格约10%，凸显了联合拟合的必要性。