[论文解读] Parton distributions and small-x QCD at the Large Hadron Electron Collider

Juan Rojo, Fabrizio Caola|ArXiv.org|Jun 11, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本文研究了大型强子电子对撞机（LHeC）在利用NNPDF方法显著减小小-x部分子分布函数（PDF）不确定性，特别是胶子PDF方面所具备的潜力。通过模拟LHeC上$F_2$和$F_L$结构函数的高精度数据，研究表明，结合$F_2$与$F_L$测量可实现对小-x胶子情景的高统计显著性区分，从而为偏离DGLAP演化的行为提供强有力的探测手段，并可检验小-x QCD动力学中的饱和或重求和效应。

ABSTRACT

The proposed Large Hadron Electron Collider (LHeC) at CERN would bring Deep-Inelastic scattering into the unexplored TeV regime. The LHeC rich physics program, among other topics, includes both precision SM measurements to complement LHC physics as well as studies of QCD in the high energy limit. The present contribution reports on ongoing studies within the NNPDF framework towards the LHeC CDR. We study the impact of LHeC simulated data on PDF uncertainties, in particular the small-x gluon. We also assess the LHeC potential to disentangle between various scenarios of small-x QCD, including saturation models and small-x resummation. Finally, we explore how deviations from DGLAP can be quantified in inclusive measurements.

研究动机与目标

• 评估LHeC伪数据对减小小-x部分子分布函数不确定性的影响，特别是胶子PDF。
• 评估LHeC在区分竞争性小-x QCD情景（包括饱和模型与小-x重求和）方面的能力。
• 建立一种统计框架，用于检测包含式深度非弹性散射可观测量中偏离标准DGLAP演化的现象。
• 验证NNPDF方法在高能、未探索的相空间区域中实现无偏PDF确定并忠实传播不确定性的可靠性。

提出的方法

• 采用NNPDF方法，利用神经网络作为通用插值器，并通过蒙特卡洛采样传播实验不确定性。
• 在$E_e = 70$ GeV，$\theta_e \leq 179^\circ$，且$\int \mathcal{L} = 1$ fb$^{-1}$条件下，生成$F_2(x,Q^2)$与$F_L(x,Q^2)$的LHeC伪数据，平均不确定性分别为$\sim 2\%$与$\sim 8\%$。
• 通过将NNPDF1.2数据与LHeC伪数据结合，使用相同的函数形式与不确定性处理方式，执行全局PDF拟合。
• 采用距离度量$d(x,Q^2) = \sqrt{ \frac{F^{\rm fit} - F^{\rm data}}{\sigma_{\rm fit}^2 + \sigma_{\rm data}^2} } \times \text{sign}(F^{\rm data} - F^{\rm fit})$来量化对DGLAP预测的偏离程度。
• 通过排除饱和启发式$Q^2 \geq A x^{-0.3}$阈值以上的数据点，测试对非-DGLAP效应的敏感性，并评估拟合质量与残差相关性。
• 模拟三种情景——NNPDF1.0中的中心值及$\pm 1\sigma$胶子PDF——并进行拟合，以评估其解缠能力。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHeC数据能否显著减小小-x胶子PDF的不确定性？
• RQ2 与仅使用$F_2$相比，$F_L$测量在提升对小-x胶子敏感性方面能带来多大程度的改善？
• RQ3 LHeC能否检测到偏离DGLAP演化的现象？若能，如何量化这些偏离？
• RQ4 NNPDF方法能否可靠地区分竞争性小-x QCD模型（如饱和与重求和）？
• RQ5 基于标准DGLAP的PDF提取在哪个相空间区域是安全的？非线性或BFKL类效应可能在何处出现？

主要发现

• 仅加入$F_2$ LHeC伪数据时，小-x胶子PDF不确定性的减小程度有限，这是由于胶子通过标度违反间接发挥作用。
• 当同时包含$F_2$与$F_L$伪数据时，小-x胶子PDF的不确定性显著降低，原因在于$F_L$对胶子PDF具有更强的敏感性。
• 在使用联合$F_2 + F_L$数据拟合后，三种极端小-x胶子情景（NNPDF1.0的中心值及$\pm 1\sigma$）可被精确区分，表明具有极高敏感性。
• 距离度量$d(x,Q^2)$在排除$Q^2 \geq 1.5 x^{-0.3}$以上数据点后，显示出残差中存在相关性迹象，提示小-x区域可能存在DGLAP偏离。
• LHeC的扩展相空间覆盖使得对小-x QCD动力学的稳健检验成为可能，其中$F_L$在解析小-x区域胶子行为方面发挥关键作用。
• NNPDF方法实现了统计上忠实的、非参数化的PDF确定，避免了固定函数形式带来的偏差，使其特别适合于探测LHeC尚未探索的相空间区域。