[论文解读] Parton Distribution Function sensitivity studies using electroweak processes at LHCb

Francesco de Lorenzi|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了LHCb在1 fb⁻¹数据下，通过胶子和海夸克PDF在x ~ 10⁻⁵区域的改进，显著降低了该区域的不确定性，特别是在x ~ 2×10⁻⁶的极端低x区域，通过Drell-Yan、W和Z的电弱过程测量，可显著约束部分子分布函数（PDFs）。

ABSTRACT

We describe parton density function sensitivity studies, using muon final states produced through the Drell-Yan process via W, Z or $γ^*$ down to a Q^2 of 10 GeV^2. This makes use of LHCb's unique ability to trigger on low transverse momentum objects. Due to the forward acceptance of LHCb, x values down to 2 10^{-6} can be probed, where with just 100 pb-1 of data, the gluon PDF can improved up to 70%.

研究动机与目标

• 评估LHCb的电弱测量对极端低x区域（x ~ 10⁻⁶）部分子分布函数（PDFs）的敏感性，该区域尚未被现有实验充分探测。
• 量化LHCb独特的前向探测器接受度和低横动量muon触发能力如何实现对高rapidity、低质量Drell-Yan和W/Z过程的探测。
• 通过Hessian和蒙特卡罗副本方法进行全局拟合，评估使用1 fb⁻¹ LHCb数据后PDF不确定性改善的程度。
• 比较不同电弱末态（四个质量区间的Drell-Yan、W±、Z）在x范围内对价夸克、海夸克和胶子PDF的约束能力。

提出的方法

• 采用MSTW08、CTEQ66、Alekhin和NNPDF2.0 PDF集合，结合Hessian和蒙特卡罗副本拟合技术，评估PDF不确定性。
• 使用Hessian方法，通过协方差矩阵的特征向量构造线性组合，以建模PDF不确定性，并通过带高斯先验约束特征值的χ²最小化方法拟合数据。
• 对于NNPDF方法，从100个蒙特卡罗副本生成rapidity分布，计算每个副本与伪实验数据之间的χ²，并使用χ²概率作为权重重新加权PDF副本。
• 通过最小化包含数据归一化（亮度）和形状项的χ²函数进行全局拟合，对特征值施加约束以保持高斯先验。
• 利用更新后的协方差矩阵（Hessian）或重新加权的副本集合（NNPDF）计算新的PDF不确定性，整合LHCb数据以评估改进效果。
• 通过比较预拟合与后拟合PDF不确定性的比值，量化在不同x值下的改进程度，重点关注u-价夸克、d-价夸克、海夸克、s⁺和胶子分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb的前向muon探测和低pT触发在多大程度上能改善x ~ 10⁻⁶区域的PDF约束？
• RQ2 与当前全局PDF拟合相比，包含1 fb⁻¹ LHCb数据后，胶子和海夸克PDF的不确定性降低了多少？
• RQ3 在不同x值下，Drell-Yan（低质量区段）、W±或Z中哪种子末态对PDF的约束最强？
• RQ4 Hessian和蒙特卡罗副本拟合方法在量化LHCb数据带来的改进方面，结果有何异同？
• RQ5 当结合W⁺、W⁻、Z和Drell-Yan的rapidity分布时，每种PDF组分（如胶子、海夸克）的PDF不确定性最大可降低多少？

主要发现

• 在1 fb⁻¹ LHCb数据下，x ~ 10⁻⁵处胶子PDF的不确定性最高可降低70%，尤其在低x区域。
• 在x ~ 10⁻⁵处，海夸克PDF的不确定性也最高可降低70%，在中等x区域改善约50%。
• 2.5–5 GeV质量区段的Drell-Yan过程提供最强约束，导致PDF不确定性降低最大。
• 对W⁺、W⁻和Z的rapidity分布进行联合拟合，可在整个x范围内将PDF不确定性降低约30%。
• 在极端低x区域（x ~ 2×10⁻⁶）的改进最为显著，因为HERA和Tevatron的现有数据在此区域约束有限。
• 结果表明，LHCb能够探测并显著约束此前全球PDF拟合未充分探索的动量空间区域。