[論文レビュー] Compatibility and combination of world W-boson mass measurements

S. Amoroso, N. Andari+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、ATLAS、LHCb、CDF、D0、LEPの世界のWボソン質量測定値を、パートン分布関数（PDF）不確実性相関を含む一貫した理論的枠組みを用いて、包括的な適合性および組み合わせ解析を実施する。CT18 PDFセットを用いた組み合わせでは、mW = 80394.6 ± 11.5 MeVが得られ、適合性確率はわずか0.5%にとどまり、強い緊張状態を示しており、特にCDF測定値がその要因である。CDF測定値を除いた場合、一貫性のある値である80369.2 ± 13.3 MeVが得られ、CDF結果から3.6σのずれを示す。

ABSTRACT

The compatibility of W-boson mass measurements performed by the ATLAS, LHCb, CDF, and D0 experiments is studied using a coherent framework with theory uncertainty correlations. The measurements are combined using a number of recent sets of parton distribution functions (PDF), and are further combined with the average value of measurements from the Large Electron-Positron collider. The considered PDF sets generally have a low compatibility with a suite of global rapidity-sensitive Drell-Yan measurements. The most compatible set is CT18 due to its larger uncertainties. A combination of all $m_W$ measurements yields a value of $m_W$ = 80394.6 $\pm$ 11.5 MeV with the CT18 set, but has a probability of compatibility of 0.5% and is therefore disfavoured. Combinations are performed removing each measurement individually, and a 91% probability of compatibility is obtained when the CDF measurement is removed. The corresponding value of the W boson mass is 80369.2 $\pm$ 13.3 MeV, which differs by 3.6 sigma from the CDF value determined using the same PDF set.

研究の動機と目的

• ハドロンおよびe+e−衝突機からの世界のWボソン質量測定値の適合性を評価すること。
• 最近の高精度測定値、特にCDF結果と他の測定値との間の緊張を解消すること。
• 理論的不確実性、特にPDF相関を一貫して取り扱ったmWの世界平均を実行すること。
• 異なるPDFセットが適合性および最終的な組み合わせ値に与える影響を評価すること。

提案手法

• ATLAS、LHCb、CDF、D0、LEPのmW測定値を、検出器効果および理論的不確実性を考慮して組み合わせる一貫したフレームワークを適用する。
• 理論的不確実性は、検出器応答およびイベントジェネレータ（例：ResBos、DYqT）の実際のシミュレーションを用いて伝搬する。PDF不確実性は主成分分析を用いて推定する。
• 複数のPDFセット（CT18、NNPDF4.0、MMHT20など）を用いて、実験間のPDF不確実性相関を計算し、適合性に与える影響を評価する。
• 適合性はχ²ベースの整合性テストを用いて評価され、各測定値を順次除外することで除外分析が実施される。
• PDFセットおよびイベントジェネレータの差異に基づく測定値の補正が行われ、比較可能性を確保する。
• 結果は複数のPDFセットで提示され、CT18がより大きな不確実性のおかげで最も適合性が高かった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的不確実性を一貫して相関させた場合、CDF、D0、ATLAS、LHCb、LEPの最新のWボソン質量測定値の適合性はどの程度か？
• RQ2 パートン分布関数（PDF）セットの選択が、mWの適合性および組み合わせ値に与える影響は何か？
• RQ3 高精度の入力にもかかわらず、CDF測定値を含む組み合わせが適合性確率0.5%にとどまる理由は何か？
• RQ4 CDF測定値を除いた場合の世界平均mW値は何か？また、CDF結果と比較するとどうなるか？
• RQ5 PDF不確実性およびその相関は、将来のmW組み合わせの精度と整合性をどの程度制限するか？

主な発見

• CT18 PDFセットを用いたすべてのmW測定値の組み合わせでは、mW = 80394.6 ± 11.5 MeVが得られ、適合性のχ²確率はわずか0.5%にとどまり、強い統計的緊張を示している。
• CDF測定値を除いた場合、組み合わせmW値は80369.2 ± 13.3 MeVとなり、適合性確率は91%に上昇し、CDF結果が主な緊張要因であると示唆している。
• 同じCT18 PDFセットを用いて再評価したCDF測定値は、他のすべての実験の組み合わせ結果から3.6σのずれを示しており、顕著な不一致を示している。
• CT18 PDFセットは、より大きな不確実性のおかげで、全体のデータと最も適合しており、PDFモデル依存性への感受性が低減されている。
• 他のPDFセット（例：NNPDF4.0、MMHT2014）では、適合性確率が2×10⁻⁵から3×10⁻³の間となり、データと整合性が悪いことが示された。
• mWのPDFセット依存性は依然として顕著であり、セット間の差がそれ自身の不確実性と同等の大きさであるため、PDFモデル依存性が将来の高精度測定の主な制限要因であると考えられる。