[论文解读] Simplified QCD fit method for BSM analysis of HERA data

O. Turkot, Katarzyna Wichmann+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种简化的QCD拟合方法，通过使用PDF参数和BSM耦合的截面预测的一阶泰勒展开，显著加速了HERA ep散射数据的超越标准模型（BSM）分析。该方法相比完整QCD拟合将计算时间减少了50倍，实现了对如夸克形式因子等BSM模型的高效极限设定，同时保持了精度，经基于复制的频率学程序验证，结果与完整拟合一致。

ABSTRACT

The high-precision HERA data can be used as an input to a QCD analysis within the DGLAP formalism to obtain the detailed description of the proton structure in terms of the parton distribution functions (PDFs). However, when searching for Beyond Standard Model (BSM) contributions in the data one should take into account the possibility that the PDF set may already have been biased by partially or totally absorbing previously unrecognised new physics contributions. The ZEUS Collaboration has proposed a new approach to the BSM analysis of the inclusive $ep$ data based on the simultaneous QCD fits of parton distribution functions together with contributions of new physics processes. Unfortunately, limit setting procedure in the frequentist approach is very time consuming in this method, as full QCD analysis has to be repeated for numerous data replicas. We describe a simplified approach, based on the Taylor expansion of the cross section predictions in terms of PDF parameters, which allowed us to reduce the calculation time for the BSM limits by almost two orders of magnitude.

研究动机与目标

• 为解决HERA数据频率学BSM极限设定中的计算瓶颈问题，即每份复制均需进行完整QCD拟合，计算速度过慢。
• 开发一种简化的拟合程序，在显著降低CPU时间的同时保持精度，实现对PDF和BSM耦合参数的联合拟合。
• 实现对BSM分析的可扩展扩展，如夸克形式因子搜索，超越标准方法的限制。
• 验证简化方法能否准确重现完整拟合结果，如夸克半径极限和卡方值等关键可观测量。

提出的方法

• 该方法对pQCD+BSM截面预测在标称PDF集合和零BSM耦合处进行一阶泰勒展开。
• 预先计算在标称点处的参考截面值及其相对于PDF参数和BSM耦合的导数。
• 对于每份复制，简化后的截面预测被构建为PDF偏差和BSM耦合的线性函数，使用存储的导数和参考值。
• 该方法用快速的解析截面模型计算替代每份复制的完整QCD演化和PDF拟合。
• 通过使用相同复制集对比简化拟合与完整QCD+BSM拟合的结果，对方法进行验证。
• 该方法应用于夸克形式因子模型，极限设定通过基于复制的频率学方法和概率分布实现。

实验结果

研究问题

• RQ1 简化的QCD拟合方法能否在显著减少计算时间的前提下，重现完整QCD+BSM拟合在HERA数据BSM分析中的结果？
• RQ2 泰勒展开近似在多大程度上保持了极限设定过程中统计特性，如拟合BSM参数分布的准确性？
• RQ3 该方法在多大程度上可扩展至夸克形式因子场景之外的其他BSM模型？
• RQ4 在基于复制的频率学框架中，PDF参数波动对线性近似精度有何影响？

主要发现

• 与完整QCD拟合相比，该简化方法将每次拟合的平均CPU时间减少了50倍，将200,000次拟合的总时间从超过30年缩短至不足一年。
• 简化方法拟合得到的夸克半径平方值与完整QCD拟合结果几乎完全一致，差异小于分布宽度。
• 简化拟合与完整拟合的卡方值表现出极佳的一致性，证实该方法保持了拟合质量。
• 拟合得到的$R_q^2$值的概率分布以及由此得出的95%置信水平（C.L.）极限与完整拟合结果无法区分，经对比图验证。
• 该方法使此前计算上不可行的其他BSM模型（如具有新耦合或形式因子的模型）得以高效探索。