[论文解读] New CTEQ Global Analysis with High Precision Data from the LHC

Tie-Jiun Hou, Keping Xie+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 8被引用 5

一句话总结

本论文在NNLO QCD精度下提出了CT18和CT18Z全球部分子分布函数（PDF）拟合，整合了包括W/Z、Drell-Yan、喷注和顶夸克对产生在内的高精度LHC数据。该分析改善了夸克与胶子PDF的约束，尤其减少了小x区域海夸克比值的不确定性，并在小x区域强制实现奇异海的SU(3)对称性，同时通过单独的CT18Z拟合解决了来自ATLAS 7 TeV W/Z数据的张力。

ABSTRACT

We present the new CTEQ-TEA global analysis of quantum chromodynamics (QCD). In this analysis, parton distribution functions (PDFs) of the nucleon are determined within the Hessian method at the next-to-next-to leading order (NNLO) in perturbative QCD, based on the most recent measurements from the Large Hadron Collider (LHC) and a variety of world collider data. Because of difficulties in fitting both the ATLAS 7 and 8 TeV $W$ and $Z$ vector boson production cross section data, we present two families of PDFs, named CT18 and CT18$Z$ PDFs, respectively, without and with the ATLAS 7 TeV $W$ and $Z$ measurements. We study the impact of the CT18 family of PDFs on the theoretical predictions of standard candle cross sections at the LHC.

研究动机与目标

• 利用ATLAS、CMS和LHCb的高精度LHC数据更新全局PDF分析，以改善部分子分布函数的约束。
• 通过引入不包含这些数据的独立CT18Z拟合，解决ATLAS 7 TeV W和Z快速度分布数据中的张力问题。
• 通过测试新的灵活PDF形式并应用拉格朗日乘子约束于数据稀疏区域，减少参数化偏差。
• 通过修改非微扰参数化形式，在小x区域精确强制实现奇异海夸克PDF的SU(3)味对称性。
• 利用NNLO理论预测，评估更新后PDF对13 TeV LHC上标准烛光过程截面的影响。

提出的方法

• 使用30组候选LHC数据集和来自Tevatron与HERA的旧数据，在NNLO QCD下进行全局Hessian PDF拟合。
• 通过快速插值表（如NLO ApplGrid）和fastNNLO网格，使用NNLO理论预测处理顶夸克和喷注过程。
• 应用拉格朗日乘子扫描，以在数据约束较弱的动量区域约束PDF，确保物理一致性。
• 引入0.5%的不相关数值误差，以考虑NNLO截面中蒙特卡洛积分的不确定性。
• 引入奇异海PDF的新参数化形式，以强制实现SU(3)对称性，确保当x → 0时(s+\bar{s})/(\bar{u}+\bar{d}) → 1。
• 构建两套PDF集合：CT18（排除ATLAS 7 TeV W/Z数据）和CT18Z（包含该数据并调整参数），以评估数据张力的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 与以往的全局拟合相比，ATLAS、CMS和LHCb的高精度LHC数据在多大程度上改善了部分子分布函数的约束？
• RQ2 包含或排除ATLAS 7 TeV W和Z快速度分布数据对最终PDF不确定性和中心值有何影响？
• RQ3 更新后的参数化形式与SU(3)对称性强制实施在多大程度上减少了小x区域奇异夸克与海夸克PDF比值的不确定性？
• RQ4 CT18和CT18Z PDF集合对13 TeV LHC上标准烛光过程的理论预测有何影响？
• RQ5 拉格朗日乘子扫描在识别和约束数据敏感度较低的动量区域PDF不确定性方面起到了什么作用？

主要发现

• 与CT14HERA2相比，CT18 PDF集合在x < 10⁻³时显著降低了d/u比值的不确定性，同时保持其中心值与参数化形式一致。
• 由于数据约束的改善，小x区域反下夸克与反上夸克海夸克比值\bar{d}/\bar{u}的不确定性显著降低，尤其在x ~ 0.1附近。
• CT18 PDF在奇异海中强制实现精确的SU(3)味对称性，使得当x → 0时比值(s+\bar{s})/(\bar{u}+\bar{d})渐近趋近于1，而CT14HERA2中在x = 10⁻⁶时该值约为0.6。
• 包含ATLAS 7 TeV W/Z数据的CT18Z拟合得到χ²/Npt = 1.19，高于CT18的1.17，表明该数据集存在张力。
• 拉格朗日乘子扫描显示，在x = 0.01和Q = 125 GeV时，胶子PDF主要受高精度喷注和Drell-Yan数据约束，而s+\bar{s}与\bar{u}+\bar{d}比值在低x区域对Drell-Yan和W/Z数据最敏感。
• 由于对小x海夸克约束更紧，CT18 PDF在13 TeV LHC上对PDF亮度的预测更为精确，尤其在高质质量与高pT区域。