Redetermination of proton sea distributions

Resumen Técnico: Redeterminación de las Distribuciones del Mar de Protones

Enunciado del Problema
La estructura interna del nucleón, cuantificada por las Funciones de Distribución de Partones (PDF), está bien establecida para los quarks de valencia y los gluones. Sin embargo, las distribuciones de los quarks de mar de sabor ligero, específicamente la asimetría entre los quarks anti-up ($\bar{u}$) y anti-down ($\bar{d}$), permanecen ambiguas. La evidencia experimental previa, principalmente de la Colaboración Nuevo Muón (NMC), el experimento NA51 y la colaboración NuSea, sugería un exceso de $\bar{d}$ sobre $\bar{u}$, lo que conducía a una violación de la Regla de la Suma de Gottfried (GSR). No obstante, estos estudios anteriores dependían de blancos nucleares (hidrógeno y deuterio), introduciendo incertidumbres relacionadas con efectos de masa del blanco, correcciones de orden superior y sombra nuclear. Además, la interpretación de la violación de la GSR se complica por la asunción de simetría de isospín entre protones y neutrones; una violación podría derivar de la ruptura de la simetría de isospín en lugar de una asimetría intrínseca en el mar del protón. En consecuencia, es necesario un examen directo de las formas de sabor ligero del mar del protón utilizando datos puramente relacionados con el protón para resolver estas ambigüedades.

Metodología
Los autores realizan un análisis global de QCD perturbativa de Orden Siguiente al Principal (NNLO) utilizando el marco xFitter para extraer las distribuciones de quarks de mar ligeros. El estudio procede en dos rondas distintas de ajuste:

1. Análisis HERAshape:

   • Datos: Medidas combinadas de secciones eficaces de Dispersión Inelástica Profunda (DIS) $e^\pm p$ inclusivas de los experimentos H1 y ZEUS en HERA.
   • Cinemática: Cubre $0.045 \le Q^2 \le 50,000$ GeV$^2$ y $6 \times 10^{-7} \le x \le 0.65$ (Corriente Neutra) y $200 \le Q^2 \le 50,000$ GeV$^2$ con $1.3 \times 10^{-2} \le x \le 0.40$ (Corriente Cargada).
   • Parametrización: Los autores relajan las restricciones impuestas en el análisis estándar HERAPDF2.0. Específicamente, liberan los parámetros de normalización ($A$) y forma ($B$) para las distribuciones de $\bar{u}$ y $\bar{d}$, en lugar de imponer la igualdad cuando $x \to 0$.
   • Extrañeza: A diferencia de HERAPDF2.0, que asume un mar extraño suprimido, este análisis adopta un escenario de mar extraño no suprimido. El factor de fracción de quarks extraños $f_s$ se establece en 0.54, consistente con mediciones recientes de ATLAS de la relación $\bar{s}/\bar{d}$, en lugar del valor arbitrario de 0.4 utilizado previamente.

2. Análisis ATLASshape:

   • Datos: Combina los datos $e^\pm p$ de HERA con las mediciones de ATLAS de secciones eficaces de producción de bosones $W^\pm/Z$ en colisiones $pp$a$\sqrt{s} = 7$ TeV.
   • Propósito: La inclusión de datos de $W^\pm/Z$ proporciona restricciones adicionales sobre la descomposición de sabor del mar, los quarks de valencia y los gluones, ayudando particularmente a distinguir entre las contribuciones de $\bar{d}$ y quarks extraños, que los datos de HERA por sí solos no pueden separar completamente.
   • Parametrización: Utiliza una forma funcional similar a las PDF de la serie ATLAS, permitiendo una parametrización independiente para $\bar{u}$, $\bar{d}$ y $\bar{s}$.

Las secciones eficaces teóricas se calculan convolucionando las PDF (evolucionadas mediante ecuaciones DGLAP) con secciones eficaces de dispersión dura. La minimización de $\chi^2$ se realiza utilizando el programa CERN MINUIT, manejando las incertidumbres experimentales mediante el método de Error de Hessian.

Resultados Clave

• Asimetría del Mar: Tanto los análisis HERAshape como ATLASshape revelan una distribución asimétrica entre $\bar{u}$ y $\bar{d}$. Contrario a la visión tradicional de un exceso de $\bar{d}$, los resultados indican que la distribución de quarks anti-up supera a la distribución de quarks anti-down en el rango de fracción de momento $x \in (10^{-2}, 1)$.
• Impacto de los Datos de ATLAS: La inclusión de datos de $W^\pm/Z$ de ATLAS reduce significativamente las incertidumbres en las PDF extraídas. Mientras que el análisis HERAshape muestra una disminución en la distribución de $\bar{d}$ y un aumento en la distribución de quarks extraños en comparación con HERAPDF2.0, el análisis ATLASshape refina aún más estos resultados, confirmando la supresión de $\bar{d}$ relativa a $\bar{u}$ con mayor precisión.
• Regla de la Suma de Gottfried (GSR): La GSR ($S_G$) se reevalúa utilizando las PDF extraídas.
  • En el rango $0.004 \le x \le 0.8$, la $S_G$ calculada a partir de los nuevos análisis es mayor que el resultado de NMC ($0.240 \pm 0.016$), consistente con un exceso de $\bar{u}$ sobre $\bar{d}$.
  • En el rango completo $0 \le x \le 1$, los resultados de HERAshape, ATLASshape y otros ajustes globales modernos (como ATLAS-epWZ) son consistentes entre sí e indican un exceso de $\bar{u}$, difiriendo de los hallazgos de NMC y NuSea que sugerían $\bar{d} > \bar{u}$.
• Quark Extraño: El análisis apoya un mar extraño no suprimido, con la distribución de quarks extraños aumentando significativamente en comparación con HERAPDF2.0, alineándose con los hallazgos recientes de ATLAS.

Significado y Afirmaciones
El artículo afirma proporcionar una determinación más directa y fiable de las formas de los quarks de mar ligeros del protón al eliminar los efectos de blancos nucleares inherentes a los experimentos anteriores de blanco fijo. Al utilizar datos puros de protones de HERA y ATLAS, y relajar parametrizaciones restrictivas respecto a la extrañeza y la simetría de isospín, los autores concluyen que el protón posee más quarks anti-up que anti-down en la región de fracción de momento intermedia a alta. Este hallazgo desafía la interpretación de larga data de la violación de la Regla de la Suma de Gottfried como evidencia de un exceso de $\bar{d}$. Los autores afirman que sus resultados, particularmente las PDF ATLASshape que ofrecen incertidumbres reducidas, proporcionan una base sólida para esta comprensión revisada de la estructura del mar del protón.