[论文解读] Progress in the CTEQ-TEA NNLO global QCD analysis

Tie-Jiun Hou, Keping Xie+11 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2019

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 12

一句话总结

本论文提出了质子的下一代次次领先阶（NNLO）全球部分子分布函数（PDF）家族CT18，其基于最新的LHC数据和历史测量结果进行全面拟合得出。采用Hessian方法，该分析在不同理论假设下引入了四个独立的PDF集合——CT18、CT18A、CT18X和CT18Z，以量化来自数据矛盾、尺度选择和参数化偏差的不确定性，其中CT18作为LHC物理应用的默认集合。

ABSTRACT

We present the new CTEQ-TEA global analysis of quantum chromodynamics (QCD). In this analysis, parton distribution functions (PDFs) of the nucleon are determined within the Hessian method at the next-to-next-to-leading order (NNLO) in perturbative QCD, based on the most recent measurements from the Large Hadron Collider (LHC) and a variety of world collider data. Because of difficulties in fitting both the ATLAS 7 and 8 TeV $W$ and $Z$ vector boson production cross section data, we present four families of (N)NLO CTEQ-TEA PDFs, named CT18, A, X and Z PDFs, respectively. We study the impact of the CT18 family of PDFs on the theoretical predictions of standard candle cross sections at the LHC.

研究动机与目标

• 利用最新实验数据开发新一代次次领先阶（NNLO）质子部分子分布函数（PDF）。
• 通过引入替代PDF集合，解决高精度LHC数据（特别是ATLAS 7 TeV W/Z快速度分布）与深度非弹性散射（DIS）数据之间的矛盾。
• 通过使用切比雪夫多项式测试超过90种不同的函数形式，最大限度减少参数化偏差。
• 通过整合NNLO预测与K因子及fastNNLO网格，提高理论精度，并评估尺度和高阶项的不确定性。
• 提供一个全面且公开可用的PDF集合（CT18）以及三个互补集合（A、X、Z），以支持LHC物理和新物理搜索中的稳健不确定性量化。

提出的方法

• 采用Hessian方法，通过30多个LHC数据集（包括W/Z、Drell-Yan、喷注和顶夸克对产生）的全局拟合，确定NNLO PDF。
• 使用APPLGrid和fastNNLO网格高效计算NLO截面，并结合逐点NNLO修正，其结果与公开表格进行了验证。
• 应用PDFSense和ePump程序对数据影响进行预筛选，并在完整拟合前指导选择最具约束力的实验。
• 引入0.5%的不相关数值不确定性，以考虑NNLO截面中蒙特卡罗积分误差的影响。
• 使用拉格朗日乘子在约束不足的动量空间区域对PDF施加约束，以保持物理一致性。
• 探索了具有不同假设的替代拟合（CT18A、X、Z）：包括ATLAS 7 TeV W/Z数据、不同的因子化尺度、粲夸克极质量，以及移除CDHSW数据，以评估系统性偏差。

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS 7 TeV W/Z快速度分布与DIS数据之间的矛盾如何影响全局PDF拟合？当这些数据被纳入时，PDF的行为如何变化？
• RQ2 在深度非弹性散射中改变因子化尺度对胶子和奇异夸克PDF的影响是什么？
• RQ3 不同参数化形式如何影响PDF不确定性带？通过系统性测试，可实现的最小偏差是多少？
• RQ4 来自尺度选择、NNLO代码和积分方法的理论不确定性在多大程度上影响最终的PDF集合？
• RQ5 替代PDF集合（CT18A、X、Z）与默认的CT18相比，在Higgs粒子产生截面和全局拟合优度方面表现如何？

主要发现

• CT18 PDF集合取代CT14和CT14HERA2，成为默认的NNLO全局PDF集合，整合了30多个LHC数据集和历史测量结果。
• 在CT18Z拟合中纳入ATLAS 7 TeV W/Z快速度分布数据，使二倍子SIDIS数据的S_E值升高，表明与DIS实验的矛盾程度更高。
• 与CT18和CT14预测相比，CT18Z拟合中通过胶子融合机制的NNLO Higgs粒子产生截面降低了约1%。
• 在CT18X和CT18Z中采用x相关的因子化尺度，增强了小x区域的胶子PDF，同时在x ~ 0.01处降低其值，反映出改进的重求和效应。
• 在CT18Z中移除CDHSW数据后，x > 0.1区域的胶子PDF变得更硬，与其它数据集一致，从而降低了全局拟合中的矛盾。
• CT18A、X和Z PDF集合共同实现了对当前数据下PDF行为全范围的更完整探索，显著增强了LHC物理中不确定性量化的可靠性。