[論文レビュー] 2012 Update of the Combination of CDF and D0 Results for the Mass of the W Boson

R. C. Group|arXiv (Cornell University)|Mar 30, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、統計的および系統的不確実性を考慮したBLUE法を用いて、Tevatron Run-IIデータからの最新のCDFおよびD0によるWボソン質量測定値を高精度で組み合わせた結果を提示する。最終的なTevatron平均は $ M_W = 80,387 \pm 16 \, \text{MeV} $ であり、LEP IIデータを含む世界平均は $ M_W = 80,385 \pm 15 \, \text{MeV} $ である。全測定値においてPDF、幅、放射修正の整合性補正を適用した。

ABSTRACT

We summarize and combine the results on the direct measurements of the mass of the W boson in data collected by the Tevatron experiments CDF and D0 at Fermilab. Earlier results from CDF Run-0 (1988--1989), D0 and CDF Run-I (1992--1995) and D0 results from 1/fb (2002--2006) of Run-II data are now combined with two new, high statistics Run-II measurements: a CDF measurement in both electron and muon channels using 2.2/fb of integrated luminosity collected between 2002 and 2007, and a D0 measurement in the electron channel using 4.3/fb collected between 2006 and 2009. As in previous combinations, the results are corrected for inconsistencies in parton distribution functions and assumptions about electroweak parameters used in the different analyses. The resulting Tevatron average for the mass of the W boson is Mw = 80387 +- 16 MeV and a new world average including data from LEP II is Mw = 80385+- 15 MeV.

研究の動機と目的

• フェルミラブのTevatron衝突機におけるCDFおよびD0実験が得た最新の高統計的Run-II測定値を、Wボソン質量に組み合わせること。
• パートン分布関数（PDFs）、電弱パラメータ、Wボソン幅の仮定の違いを補正することで、測定値間の整合性を確保すること。
• 最新のTevatron結果とWW生成からのLEP II測定値を組み合わせることで、Wボソン質量の世界平均を更新すること。
• 系統的不確実性の相関を考慮した、ブルー法（BLUE）を用いたきめ細やかな不確実性処理を実施すること。
• 新規データおよび改良されたキャリブレーション技術（CDFではJ/ψおよびΥ崩壊による独立したエネルギースケールキャリブレーション、D0ではZ→eeキャリブレーション）を組み込むことで、以前の組み合わせを上回ること。

提案手法

• 複数の測定値を統合する際、統計的および系統的不確実性およびそれらの相関を考慮した、解析的BLUE（最良線形不偏推定量）法を用いる。
• 全測定値を共通のWボソン幅2092.2 MeVに補正するため、関係式 $ \Delta M_W = -(0.15 \pm 0.05) \Delta \Gamma_W $ を用いることで、結果間の整合性を確保する。
• 系統的不確実性は、実験的要因（例：レプトンエネルギースケール、エネルギー分解能、バックグラウンドモデル）と理論的要因（例：PDF、QED放射、$ p_T(W) $ モデル）に分類する。
• 実験間の相関をモデル化する：W幅不確実性は100%、D0 Run-IのPDF不確実性は前方カバー範囲のため約70%、PHOTOSモデルからの放射修正は3.46 MeVの相関を有する。
• CDFでは、中央トラッカー内でのJ/ψおよびΥ崩壊を用いてレプトンエネルギースケールをキャリブレーションする。D0では、Z→ee崩壊を用いて電子エネルギースケールをキャリブレーションし、共通の系統的不確実性を低減する。
• 最終的な世界平均は、Tevatronの組み合わせ結果とLEP IIの予備結果（$ M_W = 80,376 \pm 33 \, \text{MeV} $）を組み合わせる。TevatronとLEP IIの間には相関がないものと仮定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Tevatronの最新のCDFおよびD0 Run-IIデータからのWボソン質量の最も精密な組み合わせ値は何か？
• RQ2 2.2 fb⁻¹（CDF）および4.3 fb⁻¹（D0）という高光度測定値は、以前の結果と比較して、Wボソン質量決定の精度をどの程度向上させるか？
• RQ3 CDFおよびD0実験間の系統的不確実性はどの程度相関しているか？ また、その相関はどのように組み合わせにモデル化されているか？
• RQ4 LEP II測定値の組み込みは、世界平均のWボソン質量にどのように影響を与え、全体の精度はどのようになるか？
• RQ5 異なるPDFセット、W幅の仮定、放射修正モデルを使用した測定値間の整合性を確保するために、どのような補正が必要か？

主な発見

• Wボソン質量のTevatron組み合わせ平均は $ M_W = 80,387 \pm 16 \, \text{MeV} $ であり、自由度6のカイ二乗値は4.2、有意確率は64%である。
• LEP II結果を含む新世界平均は $ M_W = 80,385 \pm 15 \, \text{MeV} $ であり、自由度7のカイ二乗値は4.3、有意確率は74%である。
• CDF Run-II測定値（2.2 fb⁻¹）は、組み合わせにおける重みの60.3%を占め、高い精度と低い不確実性（合計±19 MeV）を反映している。
• D0 Run-II測定値（4.3 fb⁻¹）は、重みの26.5%を占め、合計不確実性は±26 MeVであり、主に電子エネルギーキャリブレーションおよびPDF不確実性に起因する。
• D0の電子チャンネル測定では、Z→ee崩壊を用いてエネルギースケールをキャリブレーションすることで、共通の系統的不確実性を低減しているが、Zボソンの統計的数が制限要因となっている。
• CDFの測定では、中央トラッカー内でのJ/ψおよびΥ崩壊を用いて絶対エネルギースケールを設定し、外部キャリブレーションへの依存を低減し、相関不確実性を最小限に抑える。