[论文解读] Towards the determination of the photon parton distribution function constrained by LHC data

Stefano Carrazza|arXiv (Cornell University)|Jul 3, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 8

一句话总结

本论文提出一种重加权方法，利用LHC的ATLAS Drell-Yan $W$、$Z/\gamma^{*}$ 及高质​​量 Drell-Yan 数据，对光子部分子分布函数（PDF）进行约束，与仅使用DIS的拟合相比，显著降低了中等和小$ x $区域的不确定性。该方法提高了光子PDF的精度，使得在QCD的NLO和QED的LO下，对LHC中涉及光子诱导贡献的过程的预测更加准确。

ABSTRACT

We provide a discussion of the impact of a subset of Drell-Yan data from LHC on the determination of the photon parton distribution function (PDF), using the NNPDF methodology. In previous work we have shown that the photon PDF determined from deep-inelastic scattering (DIS) data only has large uncertainties, suggesting the need for more data from other processes such as Drell-Yan, which unlike DIS, includes photon-induced contributions at leading order in QED. We describe the inclusion of ATLAS Drell-Yan W, Z data, which is a subset of the LHC data used in a final photon PDF determination, by means of a reweighting procedure. We show the impact of such data by comparing the reweighted photon PDF with the photon PDF from DIS, highlighting the reduction of uncertainties at medium/small-x. We conclude that the Drell-Yan data from LHC allows a reasonably accurate determination of the photon PDF.

研究动机与目标

• 解决仅从深度非弹性散射（DIS）数据提取的光子PDF存在较大不确定性的挑战。
• 通过引入包含LO光子诱导贡献的LHC Drell-Yan数据，提高光子PDF的精度。
• 开发一种重加权程序，将ATLAS $W$、$Z/\gamma^{*}$ 和高质​​量 Drell-Yan 数据整合进NNPDF框架，而无需修改核心PDF拟合方法。
• 证明LHC Drell-Yan数据对光子PDF具有显著约束作用，尤其是在中等和小$ x $区域。
• 为未来包含LHCb低质量数据及其他过程的全局拟合奠定基础，以进一步减小不确定性。

提出的方法

• 使用500个副本构建先验PDF集合，将DIS导出的光子PDF与五个副本的NNPDF2.3 NLO集合在$Q^2_0 = 2$ GeV$^2$处组合。
• 重加权程序根据理论预测（包括使用HORACE计算的NLO光子诱导贡献）与实验ATLAS数据之间的$\chi^2$，为各副本分配统计权重。
• 使用APPLGRID计算$W$、$Z/\gamma^{*}$ 快度分布的理论预测，使用DYNNLO计算高质​​量 Drell-Yan 微分截面。
• 使用重标度参数$\alpha$评估重加权的一致性，$\alpha=1$ 表示不确定性估计合理。
• 计算有效副本数（$N_{\rm eff}$）以量化信息增益，重加权后$N_{\rm eff}=266$。
• 执行去加权操作，生成一个包含100个副本的新PDF集合，供公开使用和进一步分析。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC Drell-Yan数据是否能显著降低中等和小$ x $区域光子PDF的不确定性？
• RQ2 重加权程序在将ATLAS $W$、$Z/\gamma^{*}$ 和高质​​量 Drell-Yan 数据整合进光子PDF确定中的有效性如何？
• RQ3 与仅使用DIS的拟合相比，Drell-Yan过程中光子诱导贡献对光子PDF的约束程度如何？
• RQ4 重加权后的光子PDF对$Z\to\mu^+\mu^-$产生理论预测的影响是什么？
• RQ5 重加权后光子PDF的不确定性与仅使用DIS的基线相比如何，特别是在数据未覆盖区域？

主要发现

• 重加权后，ATLAS数据的$\chi^2$从1.98降低至1.14，表明理论预测与实验测量的符合度显著提高。
• 有效副本数减少至$N_{\rm eff} = 266$，反映出数据带来了显著的信息增益。
• 在中等和小$ x $区域，光子PDF的不确定性显著降低，尤其在ATLAS Drell-Yan数据覆盖的$ x $范围内。
• 重加权后，光子PDF的中心值也有所降低，表明仅使用DIS的中心值主要受统计涨落驱动。
• ATLAS高质​​量 Drell-Yan 数据对光子PDF的约束作用最强，这由$\chi^2$的最大小幅下降所证实。
• 在极小$ x $区域，由于缺乏数据覆盖，不确定性仍然较大，凸显了LHCb低质量测量等额外数据的必要性。