[论文解读] Top production at the LHC: the impact of PDF uncertainties and correlations

Alberto Guffanti, Juan Rojo|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 6

一句话总结

本文研究了LHC中顶夸克对及单顶夸克产生过程中PDF不确定性和相关性的影响，表明底夸克质量是单顶夸克产生中占主导地位的理论不确定性。利用NNPDF2.0全局拟合，本文展示了顶夸克与电弱矢量玻色子截面之间存在强烈的负相关性，表明对$W^\pm$和$Z^0$产生的精确测量可减少早期LHC数据中顶夸克截面测定的PDF不确定性。

ABSTRACT

In this contribution we discuss the impact of PDF uncertainties on t\bar{t} and t-channel single-top production at the LHC. We present predictions for total cross-sections computed at NLO accuracy with different PDF sets. For single- top production, we point out that the uncertainty arising from the choice of the bottom quark mass is one of the dominant theoretical uncertainties on the total cross-section. Finally, the possibility of using PDF induced correlations between top quark and electroweak vector boson production cross-sections to improve the accuracy of LHC measurements is investigated.

研究动机与目标

• 评估PDF不确定性对LHC中$t\bar{t}$和$t$-道单顶夸克产生截面的影响。
• 识别单顶夸克产生中占主导地位的理论不确定性，特别是底夸克质量$m_b$的作用。
• 探索顶夸克与电弱矢量玻色子（$W^\pm, Z^0$）产生截面之间的PDF诱导相关性，以提高测量精度。
• 评估利用矢量玻色子截面作为校准工具以减少顶夸克截面测量中PDF不确定性的潜力。
• 比较多种NLO PDF集合（NNPDF2.0、CTEQ6.6、MSTW2008、ABKM09、HERAPDF1.0）的预测，并将差异归因于部分子光度和输入参数。

提出的方法

• 使用MCFM程序计算$t\bar{t}$和$t$-道单顶夸克产生的NLO QCD截面，采用多种PDF集合。
• 采用NNPDF2.0全局拟合，该方法利用蒙特卡罗技术估算PDF不确定性和相关性。
• 使用公式(1)中定义的相关系数$\rho$量化部分子密度与截面之间的相关性，该系数源自PDF误差传播。
• 使用相同的NNPDF2.0框架分析顶夸克与电弱矢量玻色子截面（$\sigma_{W^+}, \sigma_{W^-}, \sigma_{Z^0}$）之间的相关性。
• 通过比较不同PDF集合的预测，分离出$\alpha_s$、$m_b$和部分子光度差异的贡献。
• 绘制相关椭圆和部分子密度相关性图，以可视化截面在不同$x$值下对特定PDF的敏感性。

实验结果

研究问题

• RQ1 PDF不确定性在多大程度上影响LHC中$t\bar{t}$和$t$-道单顶夸克产生截面的理论预测？
• RQ2 底夸克质量$m_b$对单顶夸克产生截面理论不确定性的影响相对如何？
• RQ3 顶夸克与$t\bar{t}$和$t$-道单顶夸克截面在多大程度上与电弱矢量玻色子产生截面相关？
• RQ4 能否通过测量$W^\pm$和$Z^0$产生来减少顶夸克截面测量中的PDF不确定性？
• RQ5 不同PDF集合（如NNPDF2.0与ABKM09）之间的差异如何影响截面预测，其根本原因是什么？

主要发现

• 在7 TeV能量下，$t\bar{t}$截面在不同PDF集合之间变化最大可达约10%，其中NNPDF2.0、CTEQ6.6和MSTW2008的预测在1-σ不确定度范围内一致。
• $t$-道单顶夸克截面在不同PDF集合之间存在较大差异，差异超过1-σ不确定度，主要源于$m_b$和$\alpha_s$的差异。
• 底夸克质量$m_b$的不确定性被确定为单顶夸克产生中占主导地位的理论不确定性，尤其是在使用$N_f=4$计算时。
• $t\bar{t}$截面与$W^\pm$和$Z^0$截面表现出强烈的负相关性，相关系数分别为$\rho = -0.716$、$-0.694$和$-0.773$。
• $t$-道单顶夸克截面与$W^\pm$和$Z^0$截面仅表现出微弱相关性（$\rho \approx 0.14$至$0.33$），限制了通过矢量玻色子测量进行校准的潜力。
• $t\bar{t}$截面在$x \sim 0.1$时对胶子PDF最敏感，而$t$-道单顶夸克截面在$x \sim 0.01$时对$b$-夸克和$s$-夸克PDF最敏感。