[論文レビュー] Improved strong coupling determinations from hadronic decays of electroweak bosons at N$^3$LO accuracy

D. d’Enterria, Villads Jacobsen|arXiv (Cornell University)|May 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 26被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、N³LO QCD計算およびWおよびZボソンのハドロン崩壊からの更新された実験的データを用いて、QCD結合定数 αS(mZ) の改善された決定値を提示する。Zボソンデータから得られる αS(mZ) = 0.1203 ± 0.0028 および Wボソンデータから得られる αS(mZ) = 0.101 ± 0.027 は、それぞれ約7%および25%の不確実性の低減が達成されており、完全なN³LO理論的精度とLEPおよびFCC-eeの予測からの洗練された実験的擬似観測量を活用している。

ABSTRACT

We present two new extractions of the QCD coupling constant at the Z pole, $α_S(m_Z)$, from detailed comparisons of inclusive W and Z hadronic decays data to state-of-the-art perturbative Quantum Chromodynamics calculations at next-to-next-to-next-to-leading order (N$^{3}$LO) accuracy, incorporating the latest experimental and theoretical developments. In the W boson case, the total width computed at N$^{3}$LO is used for the first time in the extraction. For the Z boson pseudo-observables, the N$^{3}$LO results are complemented with the full two- and partial three-loop electroweak corrections recently made available, and the experimental values are updated to account for newly estimated LEP luminosity biases. A combined reanalysis of the Z boson data yields $α_S(m_Z) = 0.1203 \pm 0.0028$, with a 2.3\% uncertainty reduced by about 7\% compared to the previous state-of-the-art. From the combined W boson data, a value of $α_S(m_Z) = 0.101 \pm 0.027$ is extracted, with still large experimental uncertainties but also reduced compared to previous works. The levels of theoretical and parametric precision required in the context of QCD coupling determinations with permil uncertainties from high-statistics W and Z boson samples expected at future $e^+e^-$ colliders such as the FCC-ee, are discussed in detail.

研究の動機と目的

• 最新のN³LO QCD計算を用いて、QCD結合定数 αS(mZ) の精度を向上させること。
• 最新のZボソンの擬似観測量に関する実験的データ（LEPの光度補正の更新を含む）を組み込むこと。
• 将来のe⁺e⁻衝突型加速器（FCC-eeなど）でパーミルレベルの精度を達成するための理論的および実験的要件を評価すること。
• N³LOの精度でWおよびZボソンの部分幅の物理的有用なパラメータ化を提供すること。
• 高次の電弱相互作用およびQCD–電弱混合補正が、αS(mZ)抽出に与える影響を評価すること。

提案手法

• WおよびZボソンの包含的ハドロン崩壊データとN³LO QCD予測との詳細な比較を実施する。
• WおよびZボソンの全幅およびハドロン幅について、完全なN³LO計算を実施し、主要なフェルミオン的三ループ電弱補正を含む。
• 更新された実験的Zボソンの擬似観測量（ΓZ^tot, RZ, σZ^had）を、見直されたLEP光度バイアス補正とともに組み込む。
• gfitter 2.2コードを用い、更新された理論的および実験的入力を組み込んで、αS(mZ)のグローバルフィットを実施する。
• 将来のFCC-eeの予測を含め、実験的・理論的・パrametric要因からの不確実性の伝搬を推定する。
• パーミルレベルの精度に到達するためのN⁴LO QCD、高次の電弱相互作用、およびQCD–電弱混合補正の必要性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 N³LO QCD補正は、WおよびZのハドロン崩壊から抽出されたαS(mZ)の精度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 更新されたLEP光度補正は、Zボソンの擬似観測量の実験的値およびその後のαS(mZ)決定にどのような影響を与えるか？
• RQ3 将来のFCC-ee実験でパーミルレベルの不確実性を達成するためには、どのような理論的および実験的改善が必要か？
• RQ4 Wボソン全幅の完全なN³LO計算は、以前のNNLOレベルの解析と比較して、αS(mZ)抽出にどのように改善をもたらすか？
• RQ5 高次の電弱相互作用およびQCD–電弱混合補正は、αS(mZ)決定における理論的不確実性をどの程度低減するか？

主な発見

• Zボソンデータの統合的解析により、αS(mZ) = 0.1203 ± 0.0028 が得られ、これは以前の最先端の結果と比較して不確実性が7%低減されたものである。
• Wボソンデータの解析により、αS(mZ) = 0.101 ± 0.027 が得られ、以前の抽出結果と比較して不確実性が25%低減された。
• WおよびZボソン幅計算における理論的不確実性は、それぞれ3倍および4倍の低減が達成されたが、パーミルレベルの精度に到達するためにはさらなる改善が必要である。
• 完全な2ループおよび主要な3ループ電弱補正の組み込みにより、Zボソン予測の精度が顕著に向上した。
• 将来のFCC-eeでは高統計のデータが得られ、αS(mZ)の不確実性をパーミルレベルにまで低減可能である： 0.00013 (実験的), 0.00005 (パrametric), 0.00022 (理論的)。
• 本研究では、グローバルフィットや精密物理学への応用を目的として、N³LOの精度でWおよびZボソンの部分幅の新しい物理的パラメータ化を提供している。