[论文解读] Running heavy-quark masses in DIS

S. Alekhin, S. Moch|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 9被引用 8

一句话总结

该论文利用深度非弹性散射（DIS）数据，在$\bar{\rm{MS}}$方案中确定了运行的粲夸克质量，采用包含结构函数的全局拟合，精度达到NLO和近似NNLO。结果得到$m_c(m_c) = 1.01 \pm 0.09~{\rm GeV}$（NNLO），与PDF世界平均值一致但系统性偏低，且表明使用运行质量方案可降低重夸克部分子分布函数的不确定性，从而改善LHC现象学。

ABSTRACT

We report on determinations of the running mass for charm quarks from deep-inelastic scattering reactions. The method provides complementary information on this fundamental parameter from hadronic processes with space-like kinematics. The obtained values are consistent with but systematically lower than the world average as published by the PDG. We also address the consequences of the running mass scheme for heavy-quark parton distributions in global fits to deep-inelastic scattering data.

研究动机与目标

• 使用具有类空动量空间构型的深度非弹性散射（DIS）数据，在$\bar{\rm{MS}}$方案中确定运行的粲夸克质量$m_c(m_c)$。
• 将提取的$m_c(m_c)$与基于格点QCD和$e^+e^-$数据的PDG世界平均值进行比较。
• 研究运行质量方案对全局拟合中重夸克部分子分布函数（PDFs）不确定性的影响。
• 通过将$\bar{\rm{MS}}$方案应用于质量相关算符矩阵元，提高底夸克PDF的精度。
• 评估基于DIS的结果与其他确定方法（特别是QCD求和规则和$e^+e^-$碰撞）的一致性。

提出的方法

• 在固定轻 flavor 数方案（FFNS）中，对固定靶和HERA的DIS数据进行全局拟合，取$n_f = 3$个有效价夸克。
• 在$\bar{\rm{MS}}$方案中处理粲夸克质量，将$m_c(m_c)$作为拟合中的自由参数，并辅以PDG约束。
• 在DIS结构函数因子化公式的系数函数中，应用下一阶（NLO）和近似下一下一阶（NNLO）的微扰QCD计算。
• 通过改变重整化与因子化尺度$\mu_r^2 = \mu_f^2 = Q^2 + \kappa m_c^2$，其中$\kappa \in [0,8]$，传播实验与理论不确定性。
• 通过与质量相关算符矩阵元（OMEs）的卷积生成重夸克PDF，且在OMEs和质量参数中一致地应用运行质量方案。
• 将预测结果与H1合作组在低$Q^2$下的$F_2^{c\bar{c}}$数据进行比较，以验证运行质量方案的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从$\bar{\rm{MS}}$方案中的DIS数据中提取的运行粲夸克质量$m_c(m_c)$的值是多少？
• RQ2 基于DIS的$m_c(m_c)$确定结果与PDG世界平均值相比如何？其差异的原因是什么？
• RQ3 与极质量方案相比，使用运行质量方案在多大程度上降低了重夸克PDF的不确定性？
• RQ4 H1合作组在低$Q^2$下的$F_2^{c\bar{c}}$数据在多大程度上约束了运行粲夸克质量？
• RQ5 若使用ABKM的$\alpha_s(M_Z) = 0.1135$替代Bethke的世界平均值，对QCD求和规则中$m_c(m_c)$的确定结果有何影响？

主要发现

• 该论文基于DIS数据的全局拟合，得到NLO下$m_c(m_c) = 1.26 \pm 0.09~{\rm GeV}$，近似NNLO下为$1.01 \pm 0.09~{\rm GeV}$（实验误差）$\pm 0.03~{\rm GeV}$（理论误差）。
• NNLO结果系统性低于PDG世界平均值$1.27^{+0.07}_{-0.09}~{\rm GeV}$，提示DIS与$e^+e^-$或格点确定之间可能存在张力。
• 与PDG平均值的差异部分可由QCD求和规则分析中采用更大的$\alpha_s(M_Z)$解释；若使用ABKM值$\alpha_s(M_Z) = 0.1135$，则QCD求和规则结果下移至$1.257 \pm 0.026~{\rm GeV}$，与DIS结果更加一致。
• 在拟合中引入PDG对$m_c(m_c)$的约束后，NNLO下得到$m_c(m_c) = 1.18 \pm 0.06~{\rm GeV}$。
• H1合作组在低$Q^2$下的$F_2^{c\bar{c}}$数据被运行质量方案的预测良好描述，支持较低的$m_c(m_c)$值。
• 使用$\bar{\rm{MS}}$方案显著降低了底夸克PDF的不确定性，如ABKM拟合（使用极质量）与本研究拟合（使用运行质量）的比较所示，$\pm 1\sigma$带明显缩小。