Further Reduction of the PDF Uncertainty in the High-Mass Drell-Yan Spectrum Utilizing Neutral and Charged Current Inputs

Resumen Técnico: Reducción Adicional de la Incertidumbre de la PDF en el Espectro de Drell-Yan de Alta Masa Utilizando Entradas de Corriente Neutra y Cargada

Planteamiento del Problema
Las búsquedas de física más allá del Modelo Estándar (BSM) en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC), específicamente para Bosones Vectores Intermedios (IVB) de alta masa como $Z'$ y $W'$, están cada vez más limitadas por las incertidumbres sistemáticas en lugar de las estadísticas. Entre estas, las incertidumbres en la parametrización de las Funciones de Distribución de Partones (PDF) se han convertido en una restricción dominante. Los ajustes globales de PDF actuales (por ejemplo, CT18) dependen fuertemente de la Dispersión Inelástica Profunda (DIS) y de datos de experimentos de blanco fijo de las décadas de 1980 y 1990. Estos datos no constriñen adecuadamente las fracciones de momento de los quarks y antiquarks ($x$) en la región de alto $x$ ($x \gtrsim 0.2$) relevante para los procesos de Drell-Yan (DY) de alta masa a $\sqrt{s} = 13$ TeV y superiores. En consecuencia, las incertidumbres teóricas en las predicciones de los fondos del Modelo Estándar (SM) para los espectros de dileptones ($m_{\ell\ell}$) y masa transversal ($m_T$) de alta masa siguen siendo grandes (a menudo superando el 20–30% en escalas de varios TeV), comprometiendo severamente la sensibilidad de las búsquedas de resonancias y los límites de la Teoría de Campos Efectivos (EFT).

Metodología
Los autores proponen e implementan una estrategia para generar conjuntos de PDF especializados, o "boutique", diseñados para reducir las incertidumbres en regiones específicas de búsqueda de BSM. Este enfoque utiliza el marco ePump para reajustar conjuntos de PDF existentes (específicamente CT18) mediante la incorporación de plantillas de "pseudo-datos" de alta estadística derivados de mediciones del LHC.

La metodología central consiste en:

1. Generación de Plantillas: Utilizando el generador de Monte Carlo ResBos2 (operando con precisión N$^3$LL+NNLO) para simular procesos de Drell-Yan del SM.
   • Corriente Neutra (NC): Se generan secciones eficaces tridimensionales ($d^3\sigma/dm_{\ell\ell}d|y_{\ell\ell}|d\cos\theta^*$) para la región $40 < m_{\ell\ell} < 1000$ GeV. La inclusión del ángulo de Collins-Soper ($\cos\theta^*$) es crítica, ya que permite la separación de las contribuciones de quarks de tipo up y tipo down, que exhiben dependencias angulares distintas.
   • Corriente Cargada (CC): Se generan secciones eficaces bidimensionales ($d^2\sigma/dm_T d|y_{\ell}|$) para la producción de $W^\pm$ en la región $m_T < 500$ GeV. La estrategia distingue entre los estados finales $W^+$ y $W^-$ para constreñir por separado las densidades de partones $u/\bar{d}$ y $d/\bar{u}$.
2. Estrategia de Ajuste: Estas plantillas de pseudo-datos, asumiendo luminosidades integradas de 600 fb$^{-1}$ (Run 3 parcial) y 6000 fb$^{-1}$ (LHC de Alta Luminosidad), se introducen en ePump junto con las plantillas base de CT18. Esto crea conjuntos de PDF actualizados donde las incertidumbres de alto $x$ están constreñidas por los datos de alta estadística en las regiones de masa baja a intermedia, extrapolando eficazmente las restricciones a las regiones de búsqueda de alta masa.
3. Validación: Los conjuntos de PDF "boutique" resultantes se utilizan para recalcular las incertidumbres de fondo en las regiones de búsqueda de alta masa ($m_{\ell\ell} > 1$ TeV y $m_T > 1$ TeV) para cuantificar la reducción del error sistemático.

Contribuciones Clave

• Integración de Entradas de Corriente Cargada: Mientras que el trabajo anterior (Phys. Rev. D99, 054004) se centró en entradas de NC, este artículo expande la estrategia para incluir estados de Drell-Yan de CC. Esto es significativo porque la producción de $W^\pm$ proporciona restricciones complementarias sobre las densidades de quarks de tipo down y sus antiquarks, que están menos constreñidas por los datos de NC por sí solos.
• Granularidad de las Variables Cinemáticas: El artículo demuestra que pasar de entradas de 1 dimensión ($m_{\ell\ell}$) a 2 dimensiones ($m_{\ell\ell}, y_{\ell\ell}$) y finalmente a 3 dimensiones ($m_{\ell\ell}, y_{\ell\ell}, \cos\theta^*$) produce reducciones progresivamente mayores en la incertidumbre de la PDF. Se muestra que la dependencia angular es el principal motor para la separación de los sabores de los quarks valencia a alto $x$.
• Cuantificación del Potencial de la Run 3: El estudio calcula el impacto de los datos parciales de la Run 3 (600 fb$^{-1}$), demostrando que es posible lograr mejoras significativas sin tener que esperar al conjunto de datos completo del HL-LHC.

Resultados
La aplicación de esta estrategia produce reducciones sustanciales en las incertidumbres sistemáticas inducidas por la PDF para los fondos de alta masa:

• Corriente Neutra (Búsqueda de $Z'$): Para una masa invariante de dileptones $m_{\ell\ell} > 4$ TeV, la incertidumbre de la PDF se reduce del 22.2% (base CT18) al 3.5% utilizando la estrategia combinada NC+CC con 6000 fb$^{-1}$ de datos. Incluso con datos parciales de la Run 3 (600 fb$^{-1}$), la incertidumbre cae del 22.2% al 7.7%.
• Corriente Cargada (Búsqueda de $W'$): Para una masa transversal $m_T > 5$ TeV, la incertidumbre se reduce del 33.0% (CT18) al 8.0% (NC+CC, 6000 fb$^{-1}$). Con datos de la Run 3 parcial, mejora del 33.0% al 17.2%.
• Separación de Sabores: Los resultados muestran mejoras distintas para densidades de partones específicas. La inclusión de datos de $W^+$ estrecha significativamente las restricciones en las distribuciones de $u$ y $\bar{d}$, mientras que los datos de $W^-$ mejoran las restricciones en $d$ y $\bar{u}$. El análisis de sensibilidad $L^2$ confirma que la estrategia propuesta apunta a la región cinemática específica ($x \sim 0.2-0.3$, $Q \sim 3$ TeV) que anteriormente no estaba constreñida por los ajustes globales.

Significado
El artículo afirma que esta estrategia ofrece un camino viable para superar el techo sistemático actual en las búsquedas de BSM de alta masa. Al aprovechar la enorme precisión estadística de los conjuntos de datos del LHC (tanto de la Run 3 actual como del futuro HL-LHC) para constreñir las PDF en el régimen cinemático relevante, los autores argumentan que la incertidumbre teórica en los fondos del SM puede reducirse por factores de 3 a 7. Esta reducción es esencial para:

1. Mejorar el potencial de descubrimiento de estados resonantes $Z'$ y $W'$.
2. Mejorar la sensibilidad de las búsquedas no resonantes utilizando la Teoría de Campos Efectivos (EFT) a masas muy altas.
3. Proporcionar un marco donde los experimentos del LHC puedan contribuir directamente al refinamiento de los ajustes globales de PDF mediante la provisión de rejillas de secciones eficaces diferenciales multidimensionales.

Los autores concluyen que los experimentos del LHC deben proporcionar estas rejillas diferenciales específicas a los grupos de ajuste de PDF para permitir la creación de estos conjuntos de PDF especializados, maximizando así el alcance físico del colisionador.