[论文解读] On the intrinsic bottom content of the nucleon and its impact on heavy new physics at the LHC

F. Lyonnet, A. Kusina+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用 8

一句话总结

该论文提出一种方法，利用非 singlet 演化方程对质子中的本征底夸克部分子分布函数（PDF）进行建模，从而在无需完整全局PDF拟合的情况下，高效估算其对LHC过程的影响。研究发现，本征底夸克贡献3.5%时，可在$\sqrt{\tau} = 0.5$处使$b\bar{b}$流强提升高达4倍，可能影响对重质量新物理的搜索，尽管由于质量抑制效应，其影响通常小于本征粲夸克。

ABSTRACT

Heavy quark parton distribution functions (PDFs) play an important role in several Standard Model and New Physics processes. Most analyses rely on the assumption that the charm and bottom PDFs are generated perturbatively by gluon splitting and do not involve any non-perturbative degrees of freedom. It is clearly necessary to test this hypothesis with suitable QCD processes. Conversely, a non-perturbative, intrinsic heavy quark parton distribution has been predicted in the literature. We demonstrate that to a very good approximation the scale-evolution of the intrinsic heavy quark content of the nucleon is governed by non-singlet evolution equations. This allows us to analyze the intrinsic heavy quark distributions without having to resort to a full-fledged global analysis of parton distribution functions. We exploit this freedom to model intrinsic bottom distributions which are so far missing in the literature in order to estimate the impact of this non-perturbative contribution to the bottom-quark PDF, and on parton--parton luminosities at the LHC. This technique can be applied to the case of intrinsic charm, albeit within the limitations outlined in the following.

研究动机与目标

• 为了建模核子波函数中缺失于标准PDF全局分析的本征底夸克分布。
• 为了评估非微扰本征底夸克对LHC部分子-部分子流强的影响。
• 为了开发一种计算高效的技巧，以估算本征重夸克效应，而无需进行完整的全局PDF重新分析。
• 为了比较本征底夸克与本征粲夸克的影响，考虑质量抑制因子。
• 为了评估本征底夸克贡献相对于LHC过程中现有PDF不确定性的显著性。

提出的方法

• 利用本征重夸克PDF近似通过非 singlet DGLAP 方程演化这一事实，使其与完整全局拟合系统解耦。
• 使用一个简单的归一化参数来缩放本征底夸克分布，该参数与边界尺度下的胶子PDF无关。
• 将该方法应用于现有全局PDF集合（如CT10、MSTW），在不重新拟合的情况下生成匹配的本征底夸克PDF。
• 计算作为质心系能量分数$\tau$函数的$b\bar{b}$、$bg$、$c\bar{c}$和$cg$通道的部分子-部分子流强。
• 将本征底夸克归一化为1%和3.5%时的结果与标准PDF不确定度带及流强带进行比较。
• 将该方法扩展至本征粲夸克，指出随着归一化增加误差也增大，但对敏感性研究仍具实用性。

实验结果

研究问题

• RQ1 核子波函数中本征底夸克成分有多显著，能否在不依赖全局PDF拟合的情况下独立建模？
• RQ2 本征底夸克对LHC中$b\bar{b}$和$bg$部分子流强有何影响？
• RQ3 在$m_c^2/m_b^2 \sim 0.1$的质量抑制下，本征底夸克效应与本征粲夸克效应在数量上如何比较？
• RQ4 本征底夸克贡献在关键LHC过程中有多大可能落在或超出当前PDF不确定度带内？
• RQ5 本征底夸克对重质量新物理搜索（特别是$b\bar{b}$初态过程）有何影响？

主要发现

• 本征底夸克PDF可使用非 singlet 演化以高精度建模，实现独立归一化而无需完整全局重新分析。
• 对于3.5%的本征底夸克归一化，$b\bar{b}$流强在$\sqrt{\tau} = 0.5$处可提升高达4倍，超过标准PDF不确定度带。
• $bg$流强在3.5%本征底夸克下提升约4倍，尽管该提升仍在当前PDF不确定度带范围内。
• 在极端假设下（本征底夸克第一矩为1%），$b\bar{b}$流强在$\sqrt{\tau} = 0.5$处的增强可达17倍，表明在未来的更紧不确定度范围内可能具有敏感性。
• 由于$m_c^2/m_b^2 \sim 0.1$的质量抑制，本征底夸克对$c\bar{c}$和$cg$流强的影响远小于本征粲夸克。
• 本征底夸克对大多数LHC新物理搜索影响有限，但如果PDF不确定度缩小或对$b$夸克的耦合增强，则可能变得显著。