[論文レビュー] Combined QCD and electroweak analysis of HERA data

ZEUS Collaboration, H. Abramowicz+125 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、HERA ep衝突機からの包含的 deep inelastic scattering (DIS) データを用いて、2004–2007年の電子ビーム偏光を組み込んだ、一部子分布関数（PDFs）と電弱パラメータの同時グローバルフィットを提示する。この分析により、u-クォークおよびd-クォークへのZボソン結合定数、電弱混合角、Wボソン質量が高精度で決定され、すべての結果が標準模型（Standard Model）の予測と良好に一致しており、世界平均値と同等の精度を達成している。

ABSTRACT

A simultaneous fit of parton distribution functions (PDFs) and electroweak parameters to HERA data on deep inelastic scattering is presented. The input data are the neutral current and charged current inclusive cross sections which were previously used in the QCD analysis leading to the HERAPDF2.0 PDFs. In addition, the polarisation of the electron beam was taken into account for the ZEUS data recorded between 2004 and 2007. Results on the vector and axial-vector couplings of the Z boson to u- and d-type quarks, on the value of the electroweak mixing angle and the mass of the W boson are presented. The values obtained for the electroweak parameters are in agreement with Standard Model predictions.

研究の動機と目的

• HERA ep衝突機からの包含的 deep inelastic scattering データを用いて、部分子分布関数（PDFs）と電弱パラメータのグローバルフィットを実行すること。
• 一度の解析から、Zボソンのu-クォークおよびd-クォークへの結合定数、電弱混合角、Wボソン質量の高精度な値を抽出すること。
• 2004–2007年のZEUSデータセットに含まれる電子ビーム偏光データを統合し、電弱パラメータへの感度を向上させること。
• PDFパラメータと電弱パラメータの相関関係を評価し、フィットにおける最小限の干渉を確保すること。
• 結果が標準模型の予測および世界平均値と整合するかどうかを検証すること。

提案手法

• 13個のPDFパラメータと4個の電弱パラメータ（u-クォークおよびd-クォークへのZボソン結合定数、sin²θW、MW）を含む、グローバルなQCDおよび電弱フレームワーク内で同時にフィットを実行する。
• ZEUS HERA II データからの中性荷電および電荷付き現在の包含的断面積を用い、NCではQ²が185から51,200 GeV²、Bjorken-xが0.0063から0.75の範囲、CCではQ²が200から60,000 GeV²、Bjorken-xが0.0078から1.0の範囲をカバーする。
• 2004–2007年のビーム偏光データを組み込むことで、特にZボソン結合定数への感度が向上する。
• 不確実性を実験的/フィット、モデル、パラメータ化の3つの成分に分解し、システムティック効果を評価する。
• MWおよびsin²θWにはオンシェル方式を用い、QCD進化と整合性を保つためにグローバルフィットで制約を課す。
• 68%および95%信頼水準の等高線図を(MW, sin²θW)平面に描画し、相関関係と世界平均値との整合性を可視化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つの実験から得られる、u-クォークおよびd-クォークへのZボソン結合定数の最も高精度な決定値は何か？
• RQ2 HERAデータから抽出されたsin²θWおよびMWの値は、標準模型の予測とどの程度一致するか？
• RQ3 電子ビーム偏光が、deep inelastic scatteringにおける電弱パラメータ抽出の精度に与える影響は何か？
• RQ4 グローバルなQCDおよび電弱フィットにおいて、電弱パラメータとPDFパラメータの相関関係はどの程度か？
• RQ5 HERAデータセットは、他の高エネルギー実験と比較して、sin²θWおよびMWの制約を競争力を持って提供できるか？

主な発見

• Zボソンの軸対称結合定数（u-クォーク）は、au = +0.50⁺⁰.⁰⁹₋₀.₀⁵（実験/フィット） ⁺⁰.⁰⁴₋₀.₀²（モデル） ⁺⁰.⁰⁸₋₀.₀¹（パラメータ化）と決定され、これまでに1つの共同研究で得られた最も高精度の測定値である。
• d-クォークへの軸対称結合定数は、ad = -0.56⁺⁰.³⁴₋₀.¹⁴（実験/フィット） ⁺⁰.¹¹₋₀.₀⁵（モデル） ⁺⁰.²⁰₋₀.⁰⁰（パラメータ化）であり、感度が限られているため大きな不確実性を示す。
• u-クォークへのベクトル結合定数は、vu = +0.14⁺⁰.⁰⁸₋₀.₀⁸（実験/フィット） ⁺⁰.⁰¹₋₀.₀²（モデル） ⁺⁰.⁰⁰₋₀.₀³（パラメータ化）であり、標準模型の期待値と整合的である。
• d-クォークへのベクトル結合定数は、vd = -0.41⁺⁰.²⁴₋₀.₁₆（実験/フィット） ⁺⁰.⁰⁴₋₀.₀⁷（モデル） ⁺⁰.⁰⁰₋₀.₀⁸（パラメータ化）であり、標準模型の予測と良好に一致する。
• Wボソン質量は、MW = 80.68 ± 0.28（実験/フィット） ⁺⁰.¹²₋₀.₀¹（モデル） ⁺⁰.²³₋₀.₀¹（パラメータ化） GeV と抽出され、2σ以内で世界平均値と整合する。
• 電弱混合角は、sin²θW = 0.2252 ± 0.0011（実験/フィット） ⁺⁰.⁰⁰⁰³₋₀.⁰⁰⁰¹（モデル） ⁺⁰.⁰⁰⁰⁷₋₀.⁰⁰⁰¹（パラメータ化）と決定され、ニュートリノ領域からの結果と同等の精度を示す。