[论文解读] Study of Parton Density Function Uncertainties with LHAPDF and PYTHIA at LHC

D. Bourilkov|ArXiv.org|May 12, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 16

一句话总结

本文提出了一种PYTHIA 6.2蒙特卡洛事件生成器与LHAPDF库之间的新接口，使部分子密度函数（PDF）集合及其不确定性可直接用于大型强子对撞机（LHC）的高精度量子色动力学（QCD）预测。通过估算Drell-Yan过程和希格斯玻色子产生过程中的PDF不确定性，表明即使在高质质量区和大规模事件样本下，PDF不确定性仍是一个非微不足道但可管理的因素。

ABSTRACT

The experimental errors in current and future hadron colliders are expected to decrease to a level that will challenge the uncertainties in the theoretical calculations. One important component in the prediction uncertainties comes from the Parton Density Functions of the (anti)proton. In this work we develop an interface from the Les Houches Accord Parton Density Functions (LHAPDF) package to the very popular Monte Carlo generator { t PYTHIA} version 6.2. Then we proceed to estimate the PDF uncertainties for the production of Drell-Yan pairs from the Z pole to masses above 1 $\TeV$ and for Higgs bosons at LHC. The measurement of the electro-weak mixing angle at LHC as a particularly difficult case is studied.

研究动机与目标

• 开发PYTHIA 6.2与LHAPDF库之间的稳健接口，以在蒙特卡洛模拟中一致地使用PDF集合。
• 通过重复事件生成利用PDF集合的多个成员，实现对LHC过程中PDF不确定性的估算。
• 评估PDF不确定性对关键LHC可观测量的影响，包括Drell-Yan产生和希格斯玻色子产生，以及电弱混合角的测量。
• 通过与已知PDF集合对比，并利用PDFLIB等替代PDF库进行交叉验证，对实现进行验证。
• 评估PDF不确定性是否会在LHC中限制高精度测量，特别是对高质质量和前后向不对称性可观测量的影响。

提出的方法

• 开发了支持通过LHAPDF框架运行时选择PDF成员的PYTHIA 6.2接口，兼容多种PDF集合（CTEQ6、MRST2001、Fermi2002）。
• 将两种演化代码（EVLCTEQ和QCDNUM）整合到单一库中，实现在无需重新编译的情况下使用不同PDF集合。
• 采用标准LHAPDF方法：PDF集合以特征向量或成员集合的形式表示，对每个成员计算可观测量以估计不确定性。
• 应用90%置信水平（CL）不确定性公式：ΔX = 0.5 × √Σ[Xi(S+) − Xi(S−)]²（CTEQ6），Fermi2002采用标准差。
• 使用CONDOR网格调度器生成大规模事件（12亿个），确保统计精度低于PDF不确定性贡献。
• 以快度区间和前后向不对称性作为关键可观测量，研究PDF在不同x区域的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以建立PYTHIA 6.2与LHAPDF库之间稳定且高效的接口，以支持带不确定性的PDF集合使用？
• RQ2 在LHC中，Z玻色子共振峰及以上1 TeV质量区的Drell-Yan对产生过程的PDF不确定性量级是多少？
• RQ3 在LHC中，希格斯玻色子产生过程的PDF不确定性有多大，特别是在高质质量和前向区域？
• RQ4 PDF不确定性在多大程度上限制了LHC中电弱混合角测量的精度？
• RQ5 在高亮度LHC场景下，蒙特卡洛采样带来的统计不确定性是否可忽略不计，相比PDF不确定性？

主要发现

• 该接口成功使PYTHIA 6.2能够使用LHAPDF的PDF集合，并支持多成员使用，不同PDF库（如CTEQ5L）之间的结果一致：例如，PYTHIA内部实现、PDFLIB和LHAPDF之间的交叉截面差异在1%以内。
• 在91.2 GeV处的Drell-Yan产生过程中，截面在1516 ± 5 pb（CTEQ5L）至1591 ± 5 pb（MRST2001）之间变化，反映了PDF集合和演化代码的差异。
• 在高质质量区（M > 1 TeV），使用更新的PDF集合后截面显著增加：CTEQ6为6.76 ± 0.02 fb，MRST2001为7.09 ± 0.02 fb，显示出对PDF选择的强烈依赖性。
• 在Drell-Yan产生中，前后向不对称性在最前向快度区（1.6–2.4）的PDF不确定性估计为< 0.00082（90% CL），表明其虽不可忽略但可管理。
• 为达到90% CL的PDF不确定性限制，0.8–1.6快度区需2770万事件，1.6–2.4快度区需1150万事件，这些在100%效率下约110 fb⁻¹的亮度下是可行的。
• 尽管生成了12亿个事件，研究未发现PDF不确定性导致的系统性障碍，表明其可能不是高亮度LHC测量中的主要限制因素。