[论文解读] NNLO PDFs driven by top-quark data

S. Alekhin, M. V. Garzelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

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一句话总结

本论文提出了ABMPtt全局拟合，这是在下一阶下一阶（NNLO）精度下对质子部分子分布函数（PDFs）、强耦合常数αs(MZ)以及顶夸克质量mt(mt)的联合确定，其约束条件来自大型强子对撞机（LHC）的高精度顶夸克数据。与ABMP16相比，该拟合显著减小了不确定性——最多减小为原先的一半，尤其体现在大x区域的胶子PDF以及顶夸克质量上，其中αs(MZ) = 0.1150 ± 0.0009，mt(mt) = 160.6 ± 0.6 GeV（mpole_t = 170.2 ± 0.7 GeV）。

ABSTRACT

We study the impact of state-of-the-art top-quark data collected at the Large Hadron Collider on parton distribution functions (PDFs). Following the ABMP methodology, the fit extracts simultaneously proton PDFs, the strong coupling $\alpha_s(M_Z)$ and heavy-quark masses at next-to-next-to-leading order (NNLO) accuracy in QCD. It includes recent high-statistics data on absolute total inclusive cross sections for $t\bar{t}+X$, the sum of $(t + X)$ and $(\bar{t} + X)$ hadroproduction, and normalized inclusive data double-differential in the invariant mass and rapidity of the $t\bar{t}$ pair at $\sqrt{S}=13$ TeV. The gluon PDF at large $x$ and the top-quark mass value derived from these data are well compatible with the previous ABMP16 results, but with significantly smaller uncertainties, reduced by up to a factor of two. At NNLO in QCD we obtain for the strong coupling the value $\alpha_s^{(n_f=5)}(M_Z)= 0.1150 \pm 0.0009$ and for the top-quark mass in the ${\overline{\mbox{MS}}}$-scheme $m_t(m_t) = 160.6 \pm 0.6$ GeV, corresponding to $m_t^{ m pole} = 170.2 \pm 0.7$ GeV in the on-shell scheme. The new fit, dubbed ABMPtt, is publicly released in grids in LHAPDF format.

研究动机与目标

• 主要目标是使用最先进的顶夸克数据，在NNLO精度下对质子PDFs、αs(MZ)和mt(mt)进行联合全局拟合。
• 通过引入Run 2和Run 3阶段LHC的高统计量双微分t¯t + X截面数据，提高大x区域胶子PDF的精度。
• 通过利用对这些参数敏感的多微分数据，降低顶夸克质量与强耦合常数的不确定性。
• 提供一个公开可获取的高精度PDF集合（ABMPtt），以LHAPDF格式发布，供高能物理唯象学中的精密研究使用。

提出的方法

• 该拟合采用ABMP16方法论，并将其扩展至包含顶夸克产生过程的NNLO QCD计算。
• 使用在√s = 13 TeV下t¯t对的不变质量与快度的双微分截面数据，以及Run 2和Run 3阶段的t¯t + X和(t + X) + (¯t + X)总截面数据。
• 理论预测在NNLO下计算，包含完整的QCD辐射修正，避免使用近似K因子方案。
• 该拟合同时提取PDFs、αs(MZ)和mt(mt)，不确定性通过基于Hessian的统计分析评估。
• 该方法论确保与现有深度非弹性散射（DIS）、Drell-Yan及单顶夸克产生数据的一致性，非顶过程的输入与ABMP16保持一致。
• 最终的PDF集合以前缀LHAPDF格式发布，供公众使用，支持在LHC及未来对撞机物理中的广泛应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC提供的高精度双微分t¯t + X截面数据在多大程度上约束了大x区域的胶子PDF？
• RQ2 与以往拟合相比，NNLO QCD计算和多微分数据在多大程度上提升了顶夸克质量与αs(MZ)的精度？
• RQ3 包含Run 3数据与高统计量Run 2数据对PDF与基本参数的不确定性有何影响？
• RQ4 提取的mt(mt)与αs(MZ)值与PDG平均值及其他全局PDF拟合相比如何？
• RQ5 新数据在多大程度上减少了PDF中的相关性与不确定性，特别是胶子分布方面？

主要发现

• 由于引入了高精度双微分t¯t + X数据，ABMPtt拟合将大x区域胶子PDF的不确定性降低了最多两倍，相比ABMP16。
• 提取的强耦合常数为αs(MZ) = 0.1150 ± 0.0009（NNLO），与PDG平均值一致，但不确定性显著减小。
• MS方案下的顶夸克质量确定为mt(mt) = 160.6 ± 0.6 GeV，对应于壳模型下的mpole_t = 170.2 ± 0.7 GeV。
• 该拟合与测量的双微分t¯t + X截面数据表现出极佳的一致性，验证了NNLO理论预测的可靠性。
• ABMPtt PDF集合以前缀LHAPDF格式公开发布，支持在高能物理唯象学中的广泛使用。
• 结果表明，NNLO精度下的顶夸克数据对PDFs、αs和mt提供了强有力的约束，相较于以往的全局拟合，精度有可测量的提升。