[论文解读] Potential PDF sensitivity at LHCb

R. McNulty|ArXiv.org|Oct 14, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 3

一句话总结

该论文表明，通过测量前向区域的Z、W及低质量Drell-Yan二mu子衰变，LHCb实验可显著改进对质子部分子分布函数（PDFs）的约束，特别是在小动量分数 $ x ilde{2} \times 10^{-6} $ 区域。利用高纯度触发和运动学不对称性，LHCb在交叉截面比值上实现了1%的实验精度，使在 $ Q^2 \approx 90 \, \text{GeV}/c^2 $ 处对PDF不确定性的敏感度达到2–5%，并有望将高快速度区域小-$ x $胶子的理论不确定性降低多达60%。

ABSTRACT

A review of the potential sensitivity of the LHCb experiment to the parton distribution functions is given. Studies of dimuon events coming from Z, W and low mass Drell Yan production are presented and compared to MSTW theoretical predictions.

研究动机与目标

• 评估LHCb在未探索的动量区域对质子部分子分布函数（PDFs）的敏感度。
• 解决小-$ x $ PDF（尤其是小- $ x $ 胶子分布）缺乏实验约束的问题。
• 开发并验证在高快速度区域对Z、W及低质量Drell-Yan二mu子事例进行高纯度选择的触发与分析技术。
• 量化LHCb测量对PDF理论不确定性的减小程度，特别是针对 $ x \sim 10^{-6} $ 区域。
• 证明交叉截面比值（如 $ R_{ZW} $、$ R_{\pm} $）可最小化对PDF不确定性的依赖，并作为精确的电弱检验手段。

提出的方法

• 采用宽松的二mu子触发，要求 $ p_T^{\text{sum}} > 1.6 \, \text{GeV}/c $，随后通过离线选择提高事例纯度。
• 应用运动学不对称性 $ A(x,y) = \frac{x - y}{x + y} $ 区分信号与背景，尤其适用于W玻色子衰变。
• 将五个可观测量——mu子动量、锥动量和剩余动量——组合为基于似然的筛选方法，用于低质量Drell-Yan事例。
• 使用MCFM生成器结合MSTW07 PDF特征向量模拟理论预测，并与预期的实验不确定性进行比较。
• 分析微分截面 $ d\sigma/dy $ 和 $ d^2\sigma/dQ^2dy $，以评估对PDF变化的敏感度。
• 采用如 $ R_{ZW} = \sigma_Z / (\sigma_{W^+} + \sigma_{W^-}) $ 等比值，以最小化对PDF的依赖并提升精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHCb能否在前向区域实现对Z和W玻色子产生截面测量的1%精度？
• RQ2 LHCb能否利用低质量Drell-Yan二mu子事例，对小- $ x $ 胶子PDF（特别是在 $ x \sim 2 \times 10^{-6} $）实现有效约束？
• RQ3 运动学不对称性和基于似然的筛选在 $ Q^2 = 5 \, \text{GeV}/c^2 $ 时对分离Drell-Yan信号的有效性如何？
• RQ4 如 $ R_{ZW} $ 和 $ R_{\pm} $ 等截面比值能否降低对PDF不确定性的敏感度，并作为精确的电弱检验手段？
• RQ5 在1 fb$^{-1}$数据下，$ d^2\sigma/dQ^2dy $ 的统计精度能达到何种水平？其与当前PDF理论不确定性的比较如何？

主要发现

• LHCb对Z玻色子二mu子事例的选中效率为 $ 91 \pm 1\% $，纯度为 $ 97 \pm 3\% $，主要背景来自误识别的强子（$ 3 \pm 3\% $）。
• 在50 pb$^{-1}$数据下，假设亮度知识精确，Z截面测量的系统不确定性被限制在约1%以内。
• 对于W玻色子衰变，利用mu子动量不对称性 $ A(p^\mu, p^{\text{rest}}) > 0.85 $，实现33%的选中效率和83%的纯度，主要背景为误识别的π介子。
• 在 $ Q^2 > 10 \, \text{GeV}/c^2 $ 时，低质量Drell-Yan事例可实现超过95%的纯度，同时保留15–50%的信号事件。
• 在 $ Q^2 = 5 \, \text{GeV}/c^2 $ 时，LHCb可探测到 $ x \sim 2 \times 10^{-6} $ 区域，该区域此前未被测量，此时纯度达70%，信号保留率为5%。
• 在1 fb$^{-1}$数据下，$ d^2\sigma/dQ^2dy $ 的每箱统计精度可达百分之几，且LHCb可将高快速度区域小- $ x $ 胶子的PDF理论不确定性降低最多达60%。