质子中固有魅力夸克的证据

　　1960年代末和1970年代初在SLAC线性对撞机上的基础深弹性散射实验证明了点状成分的质子内部的存在 ，很快与夸克（Quarks）鉴定出来
，夸克（夸克很快就清楚了，并通过随后的研究详细证实 ，这些点状的成分（由Feynman7共同称为Partons）包括携带质子量子数量的上下夸克，以及gluons
，以及gluons，以及无限数的夸克对夸克和它们的反物质及其反物质对方 ，古代Quarks
，Antiquarks 。The description of electron–proton and proton–proton collisions at high momentum transfers in terms of collisions between partons is now rooted in the theory of quantum chromodynamics (QCD), and it provides the basis of modern-day precision phenomenology at proton accelerators such as the Large Hadron Collider (LHC) of CERN8 as well as for future facilities including the Electron–Ion Collider9, the Forward Physics Facility10 and中微子望远镜11
。 　　对质子结构的了解，这对于获得LHC和其他实验的物理过程的定量预测所必需的知识是在每种类型的Partons携带的动量的分布中编码的（gluons ，gluons
，up quarks，down quarks ，down quarks
，up ant quarks，up antiquarks等）：parton分布功能（PDFS）。原则上 ，这些PDF可以根据第一原则计算
，但实际上，即使它们从数值模拟中的决心也是极具挑战性的 。因此 ，目前可获得评估LHC预测所需的质子PDF的可靠确定的唯一策略是经验的，这是经验的
，可以使用精确的理论预测和实验测量的数据分析，因此PDF是唯一未知的PDF。 　　尽管该成功的框架已经详细介绍了 ，但几个关键的开放问题仍然开放
。这些最具争议的是处理所谓的重夸克（即质量大于质子的夸克； MP = 0.94 GEV的质量的夸克）。实际上
，虚拟量子效应和能量质量的注意事项表明，质子波函数中应存在三个光夸克和古夸克（向上 ，向下和奇怪） 。因此
，它们的PDF肯定取决于控制质子作为结合状态的性质的低能动力学
。但是，众所周知的8,13,14,15在足够高的能量碰撞中 ，所有夸克物种都可以激发并因此在质子内观察到
，因此它们的PDF为非零。这种激发来自标准QCD辐射，并且可以在扰动理论中准确计算 。 　　然而 ，然后出现的问题是
，重夸克是否也有助于质子波函数
。这种贡献称为固有的，是为了将其与源自QCD辐射的扰动理论中的可计算方法区分开。自QCD黎明以来 ，已经有人认为，质子波函数中必须存在各种内在的重夸克16 。特别是
，有人建议1对于魅力夸克（Charm Quark）的固有成分可能不可忽略，其质量（MC 1.51 GEV）与质子质量的数量级相同
。 　　这个问题仍然存在很大的争议 ，实际上最近的专门研究导致了不同的主张
，这是排除在4个标准脱位（4σ）级别上大于0.5％的动量分数，从而允许高达2％的Charm Momentum Momentum Fraction18。在这种情况下 ，一个特别精致的问题是将辐射成分分开：发现魅力PDF在低规模上并不足以说明已经确定了内在的魅力 。 　　在这里
，我们通过在质子中提供明确的固有魅力证据来解决这个四个十年的难题的解决方案
。这是通过使用最先进的扰动QCD计算19来确定从广泛的硬磨碎全球数据集中确定魅力PDF（参考3）的，可适应Proton 4,20,21内大量夸克的可能性。这种确定是在强耦合αs的势力扩展的近代到接头顺序（NNLO）上进行的 ，这代表了对撞机现象学的精确边界 。 　　以这种方式确定的魅力PDF包括一个辐射分量
，实际上取决于分辨率量表：它以四平风数字方案（4FN）给出，其中上 ，向上
，向下，奇怪和魅力夸克经过扰动的辐射校正和彼此混合 ，并且随着分辨率的增加而与Gluon进行混合。固有的魅力组件可以与以下方式分解
。首先，我们注意到
，在没有固有组件的情况下，使用扰动匹配条件24确定魅力PDF的初始条件 ，该条件在参考文献中计算出最高。25
，最近（部分）扩展到近代到接头的订单（N3LO；参考文献26,27,28,29,30,31,31,32,33,34） 。这些匹配条件根据3FN的PDF决定了魅力PDF，其中只有三种最轻的夸克风味得到辐射校正
。因此 ，这种扰动的魅力PDF完全根据三个光夸克和古夸克和gluon确定。但是
，3fns魅力夸克pdf不需要消失：实际上，如果4FN中的符号夸克pdf是自由参数化的 ，因此可以从数据4中确定
，则可以倒匹配条件 。因此，从定义上讲 ，获得的3FN魅力PDF是固有的魅力PDF：的确
，在没有内在的魅力的情况下，它将消失21
。因此 ，与包括固有和辐射分量的4FN魅力PDF不同，3FNS魅力PDF纯粹是固有的。在这项工作中
，我们在NNLO（参考文献25）以及N3Lo（参考文献26,27,27,28,29,31,31,31,32,334）进行了这种反转，正如我们将看到的那样 ，它可以在NNLO结果的扰动不确定性上提供一个处理 。 　　我们的起点是NNPDF4.0 Global Analysis3
，它可以确定魅力和抗PDF的总和，即4FNS中
。这可以看作是X中的概率密度 ，即魅力所带来的质子动量的比例
，因为在所有值的XC+（x）的0≤x≤1的积分等于Charm Quarks携带的质子动量的比例等于Charm Quarks的比例，尽管注意到PDF通常不一定是正面确定的。我们在魅力质量尺度上的4FNS XC+（X ，Q）的结果
，Q = mc，MC = 1.51 GEV ，如图1（左）所示 。随后的固有魅力是通过使用NNLO匹配转换为3FN来确定的
。该结果也显示在图1（左）中。频段表示在每种情况下与PDF不确定性（PDFU）相关的68％置信度间隔 。从此以后
，我们将将3FNS XC+（X，Q）PDF称为固有的魅力PDF。 　　固有的（3fn）魅力PDF在x 0.4处的大x峰时表现出具有特征性的价状结构
。尽管在绝对方面发现固有的魅力很小（对质子的总动量贡献了不到1％） ，但它与零有显着不同。请注意，对3FNS的转换对峰区域几乎没有影响
，因为在如此巨大的X值下几乎没有辐射产生的魅力：实际上，在4FNS计算中已经发现了非常相似的类似价峰 。 　　与魅力质量尺度一样 ，强耦合αS相当大
，扰动膨胀会缓慢收敛
。为了估计缺失高阶不确定性（MHOU）的效果，我们还进行了从数据从数据确定的4fns nnlo Charm PDF转换为3FNS（固有的）Charm PDF ，以更高的速度
，即在N3Lo处。结果还显示了图1（左） 。令人放心的是，固有的价状结构没有变化
。另一方面 ，很明显
，对于x 0.2扰动，不确定性变得非常大。我们可以通过添加正交PDFU和使用NNLO和N3LO匹配的结果之间的变化来估计我们确定固有魅力的总不确定性 。 　　此过程导致了我们的内在魅力及其总不确定性的最终结果（如图1所示 ，右）
。X 0.2的固有魅力PDF与零兼容：图1中PDFU中看到的负趋势仅在包括理论不确定性的情况下与零兼容。但是
，在较大的x处，即使理论上的不确定性 ，峰区域内固有的魅力PDF与零的不同约为2.5σ 。如补充部分C和D所示，该结果在数据集
，方法论（特别是PDF参数基础）的变化（特别是PDF参数基础）和参数（特别是符号）的值（尤其是魅力质量）的值稳定
。 　　我们对内在魅力的确定可以与理论期望进行比较。在参考文献的原始内在魅力模型之后 。1（BHPS模型）提出了其他各种模型5,35,36,37,38（有关审查，请参见参考文献2）。无论其具体细节如何 ，大多数模型都可以预测大X的价值结构
，最大值位于x 0.2和x 0.5之间，而x 0.1的固有组件消失了
。在图1（右）中 ，我们将结果与原始BHPS模型以及最新的介子/Baryon云模型进行了比较。5 。 　　由于这些模型仅预测了内在魅力分布的形状
，但不预测其总体归一化，因此我们通过要求它们重现与我们的确定相同的魅力分数来对其进行标准化
。我们发现确定的形状与模型预测之间存在显着的一致性。特别是 ，我们重现了大X价样峰结构的存在和位置（具有更好的一致性
，具有边际统计显着性，与介子/Baryon云计算）以及在小x时消失的内在魅力消失 。与模型相比 ，我们从分析中获得的魅力夸克（Charm Quarks）所携带的质子动量的比例为（仅包括PDFU）（0.62±0.28）％（有关详细信息
，请参见补充部分E）
。但是，由于来自小X区域x 0.2的贡献 ，纳入MHO的不确定性大大增加，我们获得（0.62±0.61）％
，其中MHOU非常大（图1，右）。请注意 ，在大多数先前的分析中18（请参见补充部分F）内在的魅力模型（例如BHPS模型）拟合到数据中
，仅剩下动量分数作为免费参数 。 　　我们强调的是，在我们的分析中 ，魅力PDF完全取决于PDF测定中的实验数据
。对魅力影响最大的数据来自最近测量的LHC过程
，这些过程既准确又精确。由于这些测量值是在高度上进行的，因此可以在QCD扰动理论中可靠地计算相应的硬截面 。 　　最近的LHC美容（LHCB）测量Z-Boson生产与远期区域中的X-Boson生产的最新测量值为Z-Boson生产的独立证据
。当以标准化为含有风味的含有含有风味的射流的魅力标签的喷气机的比例来衡量时 ，这一过程对魅力PDF（参考文献39）直接敏感
，并且在运动区域的LHCB运动学也与LHCB运动学相关。以下参考 。6,39，我们已经在NLO上进行了评估（参考文献40,41；有关详细信息 ，请参见补充部分）
，既有我们的默认PDF，均包含内在魅力 ，并且还具有独立的PDF确定，内在的魅力被约束以消失相同
，因此通过互动匹配来确定Charm（请参阅补充部分b）。 　　在图2（左上）中，我们比较了在Z-Boson速度Yz的三个箱中提供的LHCB测量值 ，以及基于我们默认的PDF和PDF设置的理论预测
，在这些预测中我们施加了固有魅力的消失
。在图2（右上角）中，我们还显示了在Q = 100 GEV和可观察到的魅力PDF之间的相关系数 ，这证明了该可观察到的可观察到与依赖速度箱的局部X区中的魅力高度相关。显然
，我们的预测与LHCB的测量值非常吻合，尤其是对于最高的可高估箱 ，这与观察到的价峰X 0.45区域高度相关
，这是通过施加Intinsic Charm的消失而获得的3σ级别的数据来获得的预测 。因此，该测量提供了独立的直接证据 ，以支持我们的结果
。 　　我们还确定了这些LHCB Z+魅力测量对魅力PDF的影响。由于没有实验协方差矩阵
，因此我们考虑了两个限制情况，其中总体系统不确定性是完全不相关的（ρsys= 0）或在速度箱之间完全相关（ρsys= 1） 。在包含LHCB数据之前和之后的4FN中的魅力PDF（具有相关模型） ，并从中获得的固有魅力PDF（分别分别为中心左右）显示
。乐队同时考虑PDFU和MHOU。结果显示了完全一致性：包含LHCB数据使固有的魅力PDF不变，同时适度降低了它的不确定性 。 　　过去
，内在魅力的主要指示来自EMC Data42在最终状态中具有魅力的深弹性散射4
。这些数据相对不精确，它们的准确性经常受到质疑 ，并且它们以相对较低的辐射校正较大的尺度进行。由于这些原因
，我们尚未将它们包括在基线分析中 。但是，评估其包容性的影响很有趣
。结果如图2所示（左下） ，其中显示了包含EMC数据之前和之后的固有魅力PDF。与LHCB数据一样
，我们发现完全一致性：不变的形状和不确定性的适度降低 。 　　我们可以通过其所谓的局部统计学意义来概括我们的结果（即，本质上的魅力PDF的大小以其总不确定性为单位）。这在图2（右下）中显示了我们的内在魅力的默认确定以及包含LHCB Z+魅力或EMC数据或两者兼而有之之后
。我们发现在0.3 x 0.6区域的2.5σ水平上的固有魅力具有局部意义。通过包含EMC或LHCB数据 ，这将增加到约3σ
，如果包括在内，则增加了 。鉴于它们涉及非常不同的物理过程和能量 ，EMC和LHCB测量的影响的相似性尤其引人注目
。 　　总而言之
，在这项工作中，我们为质子中的内在魅力夸克提供了证据。我们的发现在理解核子结构的理解中弥合了一个基本的开放问题 ，这在过去40年中一直由粒子和核物理学家进行了激烈的争论 。通过仔细删除扰动成分，我们获得了内在魅力的明确证据
，事实证明，这与模型计算的预期定性一致
。我们对魅力PDF的确定是由最新高精度LHC数据的间接约束驱动的 ，与40年前的EMC魅力生产数据的直接约束以及最新的Z+魅力生产数据完全一致
，而LHCB的Z+Charm生产数据非常一致。结合所有数据，我们发现大于3σ水平的大X区域中内在魅力的局部意义 。我们的结果激发了通过广泛的核 ，粒子和天线物理学实验的固有魅力进一步的专门研究
，例如在高发光LHC（参考文献44）中可访问的核心魅力（参考文献44）以及LHCB的固定目标和固定目标程序（参考文献45）（参考文献45）（参考文献45）和大型离子胶体实验（Alice）46，REFERN-INTIER 4 ELECTRONS COLLISRIST（REFERITS） ，后者（后来）
，此后47（后47）（后47）（后47）（后47）（后47）（均为47）
。望远镜49。