[论文解读] Low x gluons determined by open charm production

E. G. de Oliveira, A. D. Martin+1 more|arXiv (Cornell University)|May 24, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 6被引用 4

一句话总结

本论文利用LHCb在7、13和5 TeV下对前向D介子产生的数据，首次直接测定了低x区域（$10^{-5} \leq x \leq 10^{-4}$）的胶子分布函数 $xg(x)$。通过在NLO下使用双对数参数化拟合绝对截面，发现$xg$的x依赖性比全球PDF拟合在该区域的外推结果更平坦，且归一化值约为外推值的两倍。

ABSTRACT

We use the LHCb data on the forward production of $D$ mesons at 7, 13 and 5 TeV to make a direct determination of the gluon distribution, $xg$, at NLO in the $10^{-5} \lesssim x \lesssim 10^{-4}$ region. We first use a simple parametrization of the gluon density in each of the four transverse momentum intervals of the detected $D$ mesons. Second, we use a double log parametrization to make a combined fit to all the LHCb $D$ meson data. The values found for $xg$ in the above $x$ domain are of the similar magnitude (or a bit larger) than the central values of extrapolations of the gluons obtained by the global PDF analyses into this small $x$ region. However, in contrast, we find $xg$ has a weak dependence on $x$.

研究动机与目标

• 利用实验数据直接测定未被探索的低-x区域（$10^{-5} \leq x \leq 10^{-4}$）的胶子分布函数 $xg(x)$。
• 通过使用前向D介子产生数据，克服该区域约束不足的问题，因为该数据可直接探测低x和低因子化尺度下的胶子密度。
• 通过拟合绝对截面，提供独立于全局PDF分析假设的胶子PDF归一化和x依赖性。
• 将直接测量结果与外推的全局PDF进行比较，评估x行为和归一化方面的差异。

提出的方法

• 使用7、13和5 TeV下LHCb对$D^\pm$、$D^0$和$\bar{D}^0$在前向快度（$2 < y < 4.5$）产生的数据，结合NLO计算进行拟合。
• 采用FONLL框架进行开粲夸克产生截面的NLO计算，设定$\mu_F \simeq 0.85m_T$以最小化尺度依赖性。
• 对所有数据联合使用双对数参数化 $xg(x) \propto x^{-\lambda}$ 拟合，使$\lambda$和归一化可被确定。
• 使用来自$e^+e^-$数据的$c \to D$碎片化函数，并将夸克PDF固定为MMHT全局分析在$x \gtrsim 0.01$区域的结果。
• 分别对每个$p_{t,D}$区间使用简单参数化进行拟合，并与联合双对数拟合结果进行比较。
• 将$D^0/\bar{D}^0$与$D^\pm$的相对归一化设为自由参数$N^D$，以考虑碎片化不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全局PDF约束较差的区域（$x \sim 10^{-5}$ 至 $10^{-4}$），胶子分布 $xg(x)$ 如何行为？
• RQ2 LHC上的前向D介子产生数据能否提供低-x区域中 $xg(x)$ 的直接、模型无关的确定？
• RQ3 从直接数据中获得的 $xg(x)$ 的x依赖性与全局PDF集合的外推行为相比如何？
• RQ4 低-x区域中胶子PDF的归一化是多少？与外推值相比有何差异？
• RQ5 在不同快度和能量下，截面比值在多大程度上支持 $xg(x)$ 为常数的行为？

主要发现

• 在$10^{-5} \leq x \leq 10^{-4}$范围内直接测定的 $xg(x)$ 值在数量级上与外推的全局PDF分析中心值相当（或略大）。
• 与全局PDF拟合相比，$xg(x)$ 的x依赖性显著更平坦，双对数参数化中$\lambda \approx 0.01$，表明x依赖性微弱。
• $xg(x)$ 的归一化约为外推全局PDF的两倍，表明低x区域的胶子密度高于以往假设。
• 在固定$p_{t,D}$但不同快度和能量下，D介子截面比值可用常数 $xg(x)$ 良好描述，支持其平坦的x依赖性。
• 结果在尺度变化下具有鲁棒性，并在所有 $p_{t,D}$ 区间内保持一致，表明其为低-x胶子的直接且可靠的探针。
• 需要更高统计量的前向粲夸克数据，以解决本研究发现的平坦x依赖性与全局拟合中更陡峭x依赖性之间的张力。