[論文レビュー] Forward-backward $b$-quark asymmetry at the Z pole: QCD uncertainties redux

D. d’Enterria, Cynthia Yan|arXiv (Cornell University)|May 31, 2018

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、更新されたチューニングおよびハドロン化モデルを用いた最新のパートンシャワー・シミュレーション（pythia 8およびpythia 8+Vincia）を再適用することで、Zボソンエネルギー領域における前向き・後向き $b$-クォーク非対称性のQCD不確実性を再評価している。QCD系arness不確実性はわずかに減少するが、元の推定値と完全に整合しており、再評価された $A_{\text{FB}}^{0,b} = 0.0996 \pm 0.0016$ が得られ、これは標準模型予測との間で2.8$\sigma$の不一致を維持している。

ABSTRACT

The forward-backward asymmetry of $b$-quarks measured at LEP in $e^+e^-$ collisions at the Z pole, $A_{FB}^{0,b}|^{ m exp} = 0.0992\pm0.0016$, remains today the electroweak precision observable with the largest disagreement (2.8$σ$) with the Standard Model theoretical prediction, $A_{FB}^{0,b}|^{ m th} = 0.1037\pm0.0008$. The dominant systematic uncertainties are due to QCD effects --- $b,c$-quark showering and fragmentation, and $B,D$ meson decay models --- which have not been revisited in the last 20 years. We reassess the QCD uncertainties of the eight original LEP measurements of $A_{FB}^{0,b}$, using modern parton shower simulations based on PYTHIA-8 and PYTHIA-8 plus VINCIA with different tunes of soft and collinear radiation as well as of hadronization. Our analysis indicates QCD uncertainties, of order $\pm$0.4\% and $\pm$1\% for the jet-charge and lepton-charge based analyses, that are overall slightly smaller but still consistent with the original ones. Using the updated QCD systematic uncertainties, we obtain $A_{FB}^{0,b} = 0.0996\pm0.0016$.

研究の動機と目的

• 最新のモンテカルロイベントジェネレータを用いて、LEPにおける$b$-クォーク前向き・後向き非対称性測定のQCD系arness不確実性を再表現すること。
• 長年の2.8$\sigma$の不一致が、QCD効果の低く見積もられたことによるものかどうかを評価すること。
• 20年間再評価されていなかった元のLEP解析におけるQCD不確実性を、最先端のパートンシャワーおよびハドロン化モデルを用いて更新すること。
• 更新されたQCD系arness不確実性を用いて世界平均値 $A_{\text{FB}}^{0,b}$ を再計算し、観測された不一致に与える影響を検証すること。

提案手法

• pythia 8.226を用いて、$\sqrt{s} = 92.4$ GeVにおける $e^+e^- \to Z \to b\bar{b}$ イベントを、パートンシャワーおよびハドロン化のための7種類のチューニングでシミュレートした。
• pythia 8.210とVincia 1.1および2.2を組み合わせた2通りの代替ダイポールアンテナシャワー手法を用い、12種類のパラメータ変化を用いて不確実性を推定した。
• $B,D \to \ell$崩壊からの$B$-クォークの電荷を、$b$-ジェット内のレプトンの電荷と、最終状態粒子からのジェット電荷（JADEクラスタリングおよびスラスト軸を用いて）で再構築した。
• スラスト軸に対する$b$-クォークの角度分布をフィットして $A_{\text{FB}}^{\text{obs},b}$ を抽出し、$B^0\bar{B}^0$混合およびスラスト軸のずれに対する補正を適用した。
• 9種類の異なるQCDモデル化におけるシミュレートされた非対称性を比較し、予測の標準偏差としてQCD系arness不確実性を推定した。
• 更新されたQCD不確実性を用いて、測定値間の完全な相関を保ったまま、世界平均値 $A_{\text{FB}}^{0,b}$ を再計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最新のQCDシミュレーションを踏まえると、LEPの$b$-クォーク前向き・後向き非対称性測定における元のQCD系arness不確実性は依然として妥当であるか？
• RQ2 測定された $A_{\text{FB}}^{0,b}$ と標準模型予測との間の2.8$\sigma$の不一致は、QCD効果の低く見積もられたことによるものだろうか？
• RQ3 最新のパートンシャワーおよびハドロン化モデルは、$e^+e^- \to b\bar{b}$ イベントにおける $A_{\text{FB}}^{0,b}$ の抽出にどのように影響するか？
• RQ4 最新のイベントジェネレータのチューニングを用いてQCD不確実性を再評価した場合、$A_{\text{FB}}^{0,b}$ の世界平均値はどのように変化するか？

主な発見

• レプトン電荷に基づく解析におけるQCD系arness不確実性は $\pm 0.4\%$ と推定され、元の $\pm 0.6\%$ から $\pm 1.5\%$ の範囲よりわずかに小さい。
• ジェット電荷に基づく解析におけるQCD系arness不確実性は $\pm 1\%$ であり、元の $\pm 0.5\%$ から $\pm 4.1\%$ の範囲よりわずかに小さい。
• 更新されたQCD不確実性は元の推定値と完全に整合しており、系arness誤差予算に顕著なシフトがないことが示された。
• 再評価された世界平均値 $A_{\text{FB}}^{0,b}$ は $0.0996 \pm 0.0016$ であり、現在の世界平均値とほぼ同一で、有意性に変化はない。
• QCD効果の再評価後も、標準模型予測との2.8$\sigma$の不一致は変化していない。
• 最新のpythia 8およびVinciaシミュレーションを用い、更新されたチューニングおよびハドロン化モデルを適用しても、標準模型予測との緊張は解消されない。