[论文解读] Parton Distributions and New Physics Searches: the Drell-Yan Forward-Backward Asymmetry as a Case Study

Richard D. Ball, Alessandro Candido+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 16, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本文研究了在大动量分数 $x$ 下部分子分布函数（PDFs）的不确定性如何影响大型强子对撞机（LHC）新物理搜索中关键可观测量——Drell-Yan 前向-后向不对称性 ($A_{\rm fb}$) 的理论预测。结果表明，高轻子对不变质量下 $A_{\rm fb}$ 的形状对 PDF 参数化假设极为敏感，这意味着与标准模型预测的偏差可能并非可靠地指示新物理，而更可能是 PDF 不确定性所致。

ABSTRACT

We discuss the sensitivity of theoretical predictions of observables used in searches for new physics to parton distributions (PDFs) at large momentum fraction $x$. Specifically, we consider the neutral-current Drell-Yan production of gauge bosons with invariant masses in the TeV range, for which the forward-backward asymmetry of charged leptons from the decay of the gauge boson in its rest frame is a traditional probe of new physics. We show that the qualitative behaviour of the asymmetry depends strongly on the assumptions made in determining the underlying PDFs. We discuss and compare the large-$x$ behaviour of various different PDF sets, and find that they differ significantly. Consequently, the shape of the asymmetry observed at lower dilepton invariant masses, where all PDF sets are in reasonable agreement because of the presence of experimental constraints, is not necessarily reproduced at large masses where the PDFs are mostly unconstrained by data. It follows that the shape of the asymmetry at high masses may depend on assumptions made in the PDF parametrization, and thus deviations from the traditionally expected behaviour cannot be taken as a reliable indication of new physics. We demonstrate that forward-backward asymmetry measurements could help in constraining PDFs at large $x$ and discuss the accuracy that would be required to disentangle the effects of new physics from uncertainties in the PDFs in this region.

研究动机与目标

• 评估大-$x$ 部分子分布函数（PDFs）对高不变质量下 Drell-Yan 前向-后向不对称性 ($A_{\rm fb}$) 理论预测的影响。
• 探究在高能区观测到的 $A_{\rm fb}$ 偏差是否可归因于新物理，或是否实际上由 PDF 参数化不确定性引起。
• 评估 $A_{\rm fb}$ 测量在大-$x$ 区域（数据约束稀疏）约束 PDF 的潜力。
• 比较不同 PDF 集（如 NNPDF3.1、NNPDF4.0）在一系列高轻子对质量下预测 $A_{\rm fb}$ 的行为。
• 确定为区分高能 Drell-Yan 过程中新物理效应与 PDF 不确定性所需达到的实验精度。

提出的方法

• 分析一阶微扰论下的 Drell-Yan 产生过程，重点关注 $q\bar{q} \to \gamma^*/Z \to \ell^+\ell^-$ 的运动学和截面，特别是柯林斯-索珀角 $\theta^*$ 中的前向-后向不对称性。
• 计算对称与反对称截面分量的 partonic luminosities $\mathcal{L}_{S,q}$ 和 $\mathcal{L}_{A,q}$，这些分量决定了 $A_{\rm fb}$ 的行为。
• 对比多个 PDF 集（NNPDF3.1、NNPDF4.0 和变体 NNPDF4.0(3.1pos)）的预测，以评估正定性约束和参数化选择对 $m_{\ell\bar{\ell}} \geq 5$ TeV 下 $A_{\rm fb}$ 的影响。
• 利用 $|y_{\ell\bar{\ell}}|$ 和 $\cos\theta^*$ 的微分分布，比较 PDF 不确定性及其随不变质量增加的演化。
• 评估 $A_{\rm fb}$ 对夸克与反夸克 PDF 在大-$x$ 区域行为的敏感性，尤其是在缺乏直接实验约束的情况下。
• 评估未来高精度 $A_{\rm fb}$ 测量在减小 PDF 不确定性、提升新物理搜索可靠性方面的潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同 PDF 集在大-$x$ 区域的行为如何影响高不变质量下 Drell-Yan 前向-后向不对称性 $A_{\rm fb}$ 的预测形状？
• RQ2 在高能区观测到的 $A_{\rm fb}$ 偏差在多大程度上可归因于 PDF 不确定性，而非新物理？
• RQ3 在高 $m_{\ell\bar{\ell}}$ 下，$A_{\rm fb}$ 测量能否为大-$x$ 区域的 PDF 提供有意义的约束？
• RQ4 不同 PDF 参数化方案（尤其是具有不同正定性约束的方案）如何影响高能区预测的 $A_{\rm fb}$？
• RQ5 为在高能 Drell-Yan 观测量中区分新物理信号与 PDF 相关不确定性，需要达到何种实验精度？

主要发现

• 在高轻子对不变质量（$m_{\ell\bar{\ell}} \geq 5$ TeV）下，Drell-Yan 前向-后向不对称性 $A_{\rm fb}$ 的形状显著依赖于 PDF 参数化中的假设，尤其是大 $x$ 区域的假设。
• 不同 PDF 集（如 NNPDF3.1、NNPDF4.0）在大-$x$ 区域表现出显著差异，导致在高能区 $A_{\rm fb}$ 的预测行为不同，尽管在低能区预测一致。
• 决定 $A_{\rm fb}$ 的反对称 partonic luminosity $\mathcal{L}_{A,q}$ 在不同 PDF 集中表现出定性相似的趋势，但 $A_{\rm fb}$ 的幅度和不确定性因大-$x$ PDF 行为不同而有所差异。
• NNPDF4.0 相较于 NNPDF3.1 显著降低了 PDF 不确定性，特别是在大-$x$ 区域，但所有 PDF 集中 $A_{\rm fb}$ 对 $m_{\ell\bar{\ell}}$ 的定性依赖关系保持一致。
• 从 NNPDF3.1 到 NNPDF4.0 的 PDF 不确定性降低主要归因于更优的数据约束和方法论改进，而非单纯由正定性约束所致。
• 未来在 HL-LHC 上进行的高精度 $A_{\rm fb}$ 测量或可帮助约束大-$x$ 区域的 PDF，但前提是实验精度足够高，能够区分 PDF 不确定性与潜在的新物理信号。