[论文解读] Measurement of jet production in deep inelastic scattering and NNLO determination of the strong coupling at ZEUS

ZEUS Collaboration, Aggarwal, R.+79 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用 √s = 318 GeV 下的 347 pb⁻¹ ZEUS 数据，采用 Breit 参考系中的 kt 算法，对深度非弹性散射中包含喷胶的产生进行了高精度测量。该分析实现了对强耦合常数的下一阶下一阶下一阶（NNLO）确定，得到 αs(M²Z) = 0.1142 ± 0.0017（实验/拟合）+0.0006/−0.0007（模型/参数化）+0.0006/−0.0004（尺度），通过改进尺度不确定性的处理方式并减少低 Q² 数据的影响，实现了更优的不确定度控制。

ABSTRACT

A new measurement of inclusive-jet cross sections in the Breit frame in neutral current deep inelastic scattering using the ZEUS detector at the HERA collider is presented. The data were taken in the years 2004 to 2007 at a centre-of-mass energy of $318\, ext{GeV}$ and correspond to an integrated luminosity of $347\, ext{pb}^{-1}$. Massless jets, reconstructed using the $k_t$-algorithm in the Breit reference frame, have been measured as a function of the squared momentum transfer, $Q^2$, and the transverse momentum of the jets in the Breit frame, $p_{\perp, ext{Breit}}$. The measured jet cross sections are compared to previous measurements and to perturbative QCD predictions. The measurement has been used in a next-to-next-to-leading-order QCD analysis to perform a simultaneous determination of parton distribution functions of the proton and the strong coupling, resulting in a value of $\alpha_s(M_Z^2) = 0.1142 \pm 0.0017~ ext{(experimental/fit)}$${}^{+0.0006}_{-0.0007}~ ext{(model/parameterisation)}$${}^{+0.0006}_{-0.0004}~ ext{(scale)}$, whose accuracy is improved compared to similar measurements. In addition, the running of the strong coupling is demonstrated using data obtained at different scales.

研究动机与目标

• 测量 HERA 中中性流深度非弹性散射（DIS）在 Breit 参考系中的包含喷胶截面。
• 通过改进尺度和模型不确定性的处理方式，减少强耦合常数 αs(M²Z) 确定中的不确定性。
• 利用不同 Q² 区域的数据检验 αs 随能量尺度的跑动行为。
• 为 QCD 中 NNLO 的全球 PDF 和 αs 拟合提供高精度数据集。
• 验证微扰 QCD 对喷胶产生和 αs 跑动的预测。

提出的方法

• 在 Breit 参考系中使用 kt 算法重建喷胶，适用于 7 < p⊥,Breit < 50 GeV 且 −1 < ηlab < 2.5 的范围。
• 测量双微分包含喷胶截面，作为 Q² 和 p⊥,Breit 的函数，覆盖 DIS 运动学范围 150 < Q² < 15000 GeV² 和 0.2 < y < 0.7。
• 通过 χ² 扫描法同时对 NNLO QCD 进行拟合，以提取部分子分布函数（PDFs）和 αs(M²Z) 的不确定性。
• 通过系统性变化分离实验/拟合、模型/参数化与尺度不确定性：将模型不确定性设为零，并采用六点尺度变化（0.5 和 2.0 因子）。
• 使用矩阵去卷积方法校正喷胶重建中的探测器效应。
• 通过与全球 PDF 拟合和 QCD 预测的比较验证结果，并确认 αs 的微扰 QCD 跑动行为一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 HERA 的 DIS 中，Breit 参考系下包含喷胶截面测量的精度如何？
• RQ2 高精度喷胶数据的引入在 NNLO 下如何改善 αs(M²Z) 的确定？
• RQ3 当从拟合中排除低 Q² 喷胶数据时，αs(M²Z) 的尺度不确定性减少到何种程度？
• RQ4 在所测量的能量尺度范围内，强耦合常数的跑动是否与微扰 QCD 预测一致？
• RQ5 αs(M²Z) 的实验、模型和尺度不确定性如何分解，并对最终不确定性的贡献如何？

主要发现

• 包含喷胶截面的测量不确定性与以往测量相当，且与 NNLO QCD 预测高度一致。
• 强耦合常数确定为 αs(M²Z) = 0.1142 ± 0.0017（实验/拟合）+0.0006/−0.0007（模型/参数化）+0.0006/−0.0004（尺度），相比以往确定结果在精度上有所提升。
• 尺度不确定性的减小主要归因于排除了低 Q² 喷胶数据，从而降低了对尺度变化的敏感性。
• αs(µ²) 随能量尺度的跑动行为与微扰 QCD 预期一致，数据在多个 Q² 区域中得到验证。
• 截面数据以机器可读格式在 HEPData 和 xFitter 兼容文件中公开，支持进一步的全球拟合。
• 结果与全球 PDF 拟合一致，且仅使用喷胶数据进行交叉检验时不确定性略高，证实了不确定性分解的稳健性。