[論文レビュー] A First Look at the Impact of NNNLO Theory Uncertainties on Top Mass Measurements at the ILC

F. Simon|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 11被引用数 18

ひとこと要約

本研究は、国際線形加速器（ILC）におけるトップクォーク質量測定に及ぼす次々に次々に次に先駆ける順序（NNNLO）量子色力学（QCD）理論的不確実性、特に規格化スケールの変動が及ぼす影響を調査する。閾値スキャンのトゥイ・モンテカルロシミュレーションを用いて、スケール不確実性が理論的系統誤差として45 MeVを寄与することが判明し、これは統計的不確実性と同等またはそれを上回る。したがって、トップクォーク質量測定で100 MeV未塔の総不確実性を達成するためには、理論の精度が極めて重要である。

ABSTRACT

A scan of the top production threshold at a future electron-positron collider provides the possibility for a precise measurement of the top quark mass in theoretically well-defined mass schemes. With statistical uncertainties of 20 MeV or below, systematics will likely dominate the total uncertainty of the measurement. This contribution presents a first look at the impact of the renormalization scale uncertainties in recent NNNLO calculations of the top pair production cross section in the threshold region on the measurement of the top quark mass at the International Linear Collider.

研究の動機と目的

• ILCにおけるトップクォーク質量測定に及ぼすNNNLO QCD規格化スケール不確実性の影響を評価すること。
• 高精度な閾値スキャンにおいて、高次のQCD計算からの理論的不確実性が、実験的および統計的不確実性を上回るかどうかを特定すること。
• NNNLO断面積計算におけるスケール変動が、テンプレートフィッティングによるトップクォーク質量抽出の精度に与える影響を評価すること。
• 将来のe⁺e⁻衝突型実験におけるトップクォーク質量の総不確実性予算に占める理論的不確実性の寄与を定量化すること。
• 将来の実験的および理論的計画を支援するため、トップクォーク質量測定における理論的不確実性予算の初歩的な見積もりを提供すること。

提案手法

• トゥイ・モンテカルロ（MC）シミュレーションにより、NNNLO精度の入力断面積と変動する規格化スケールを用いて、ILCにおける閾値スキャンを10,000回繰り返し生成する。
• シミュレートされたデータ点と理論的断面積曲線を、さまざまな質量仮説のもとで比較することで、トップクォーク質量をテンプレートフィットにより抽出する。
• スケール不確実性をフィットに組み込むために、固定テンプレートの代わりにスケール変動（μ = 50–350 GeV）による断面積の範囲を表すバンドを用いる。
• 強い結合定数αsを独立に変化させ、質量抽出への影響を評価し、線形バイアス応答が観察された。
• 全不確実性を、データ点由来の統計的不確実性と、スケールおよびαs不確実性由来の理論的不確実性に分離する。
• フィットされた質量における系統的バイアスを入力スケールμの関数として定量化し、対称化不確実性として45 MeVを報告する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NNNLO QCD計算における規格化スケールの変動が、トップクォーク質量抽出に及ぼす理論的不確実性の大きさはどの程度か？
• RQ2 ILCにおける閾値スキャンにおいて、NNNLOスケール不確実性は統計的および実験的系統誤差と比べてどの程度の大きさか？
• RQ3 強い結合定数αsの不確実性が、トップクォーク質量測定の精度にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 テンプレートフィットにスケール不確実性を組み込むと、トップクォーク質量の総不確実性予算にどのように影響するか？
• RQ5 スケール変動に起因する理論的不確実性は、100 fb⁻¹を超える統合光度を超えても、精度の向上を制限するか？

主な発見

• NNNLO QCD計算における規格化スケール不確実性は、トップクォーク質量測定に45 MeVの理論的系統誤差を寄与させ、μ = 50–350 GeVの範囲で対称化される。
• この45 MeVの不確実性は、3%のスケール不確実性仮定による推定値56 MeVと同等であり、NNNLOに基づく解析の妥当性を裏付けている。
• 100 fb⁻¹光度におけるテンプレートフィットの全不確実性は32 MeVであり、統計的不確実性19 MeVとスケール不確実性25 MeVが寄与している。
• 強い結合定数αsの不確実性が10⁻⁴増加するごとに、αs由来の不確実性は2.7 MeV増加し、2014年の世界平均では16 MeV、最新の予備的世界平均では35 MeVに達する。
• 100 fb⁻¹を超えると、スケール変動に起因する理論的不確実性が依然として支配的であるため、質量フィットの精度向上は緩やかにしか進まない。
• 実験的系統誤差（推定30–50 MeV）と理論的不確実性を組み合わせた場合、閾値スキャンにおけるトップクォーク質量の全不確実性は100 MeV以下に抑えられる見込みである。