[論文レビュー] Determination of the strong-coupling constant from the $Z$-boson transverse-momentum distribution

S. Camarda, Giancarlo Ferrera+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 91被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、陽子-陽バリオン衝突（√s = 1.96 TeV）におけるZボソンの横運動量分布の低横運動量領域を用いて、摂動的QCDにおける次々回次の次々回次の項（N³LO）まで含めた計算で、強い結合定数 αₛ(m_Z) の最初の決定を提示する。この分析はCDFデータとDYTurboによる理論的予測に基づくもので、相対的不確実性1.2％を伴い、αₛ(m_Z) = 0.1185⁺⁰.⁰⁰¹⁴₋₀.⁰⁰¹⁵ を得た。これは現在までで最も精度の高いハドロン衝突実験による決定である。

ABSTRACT

The strong-coupling constant is determined from the low-momentum region of the transverse-momentum distribution of $Z$ bosons produced through the Drell-Yan process, using predictions at third order in perturbative QCD. The analysis employs a measurement performed in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 1.96$ TeV with the CDF experiment. The determined value of the strong coupling at the reference scale corresponding to the $Z$-boson mass is $α_S(m_Z) = 0.1191^{+0.0013}_{-0.0016}$.

研究の動機と目的

• 標準模型における最も精度が低い基本的結合定数である強い結合定数 αₛ(m_Z) の精度を向上させること。
• 特に格子QCDと深エネルギーシュレーディンガー散乱の結果との間に生じる矛盾を解消すること。
• 理論的不確実性が最小限に抑えられる、半包含的観測量（Sudakov領域におけるZボソンの横運動量）を用いた、新たな高精度の決定を提供すること。
• ハドロン衝突実験データにおいて、N³LL+ N³LO精度の再結合QCD予測を用いた結合定数抽出の実現可能性を示すこと。
• 既存の一部布分配布関数（PDF）フィットと相関を避けるために、従来のグローバルPDF解析に含まれていなかった非包含的かつ低pT領域を用いること。

提案手法

• 分析は、√s = 1.96 TeVで1.96 TeVの統合された全断面積2.1 fb⁻¹を有する陽子-陽バリオン衝突において、CDF実験が測定したZボソンの横運動量分布を用いる。
• 理論的予測は、次々回次の次々回次の対数項（N³LL）の再結合と、次々回次の固定順序項（N³LO）の寄与を組み合わせた公開プログラムDYTurboを用いて計算される。
• フィットは低pT領域（pT < 30 GeV）で実施され、ここではSudakovピークが支配的となり、αₛへの感度が最大になる。
• 非摂動的効果はフォーム因子を用いてモデル化され、不確実性はスケール変動とPDFセットのアンサンブルを用いて推定される。
• フィットには実験的不確実性、PDF不確実性、理論的不確実性を含め、フィット範囲やPDFスキームの変化に対する安定性の確認も行われる。
• φ*η変数を用いたD0データを用いた一貫性の確認が実施され、pTに外挿することでCDF結果と整合的であることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N³LO＋N³LL再結合QCD予測を用いた半包含的観測量を用いて、ハドロン衝突実験でαₛ(m_Z)の高精度決定が可能かどうか。
• RQ2 ZボソンpT分布からのαₛ(m_Z)の不確実性は、他のハドロン衝突実験の決定や世界平均と比べてどの程度か。
• RQ3 非摂動的効果に敏感な領域を含むフィット範囲の変化に対して、結果がどの程度安定しているか。
• RQ4 低pT領域のZボソン横運動量分布が、既存のPDFフィットと相関を避けてαₛ(m_Z)の精度測定ツールとして使用可能かどうか。
• RQ5 高次項のQCD補正が欠落している場合、最終的なαₛ(m_Z)の決定にどのような影響を与えるか。

主な発見

• 強い結合定数は αₛ(m_Z) = 0.1185⁺⁰.⁰⁰¹⁴₋₀.⁰⁰¹⁵ と決定され、相対的不確実性1.2％を示し、現在までで最も精度の高いハドロン衝突実験による決定となった。
• 統計的不確実性は ±0.0007、実験的系の不確実性は ±0.0001、PDF不確実性は ±0.0008であり、欠落した高次項補正の寄与は ±0.0007⁺⁰.⁰⁰¹⁰₋₀.⁰⁰⁰⁴ であった。
• 結果は世界平均の αₛ(m_Z) = 0.1179 ± 0.0009 および他の高精度決定（格子QCD：0.1184 ± 0.0008）と整合的である。
• 異なるフィット範囲（例：pT < 20 GeV、pT < 40 GeV、pT > 4 GeV）における安定性テストでは、最大で ±0.0002 のばらつきが観測され、フィット領域の変化に対して頑健であることが確認された。
• D0データを用いた一貫性確認では、電子チャンネルで αₛ(m_Z) = 0.1184 ± 0.0013、ミューオンチャンネルで αₛ(m_Z) = 0.1186 ± 0.0013 を得たが、不確実性内ではCDF結果と整合的であった。
• 本分析は、ハドロン-ハドロン衝突において半包含的観測量にN³LO＋N³LL再結合QCD予測を適用した最初の試みであり、既存のPDFセットと相関を避けることができた。