[論文レビュー] Measurement of the effective leptonic weak mixing angle

LHCb Collaboration, Aaij, R.+1148 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、2016年から2018年にかけてLHCb実験が収集した√s = 13 TeVのpp衝突データ総量5.4 fb⁻¹を用いて、有効レプトン的弱混合角sin²θₑffの高精度な測定を報告する。Z → μ⁺μ⁻崩壊における前向き-後向き非対称性をミューオンの準垂直速度差|Δη|の10個のビンにわたり測定し、次次精度のオーダー（NLO）予測と比較することで、sin²θₑff = 0.23147 ± 0.00044（統計）± 0.00005（系arness）± 0.00023（理論）を報告した。これは、以前のLHCbの精度を2倍以上改善し、グローバルな電弱フィットと整合することを確認した。

ABSTRACT

Using $pp$ collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, recorded by the LHCb experiment between 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of $5.4$ fb$^{-1}$, the forward-backward asymmetry in the $pp o Z/γ^{*} o μ^+μ^-$ process is measured. The measurement is carried out in ten intervals of the difference between the muon pseudorapidities, within a fiducial region covering dimuon masses between $66$ and $116$ GeV, muon pseudorapidities between $2.0$ and $4.5$ and muon transverse momenta above $20$ GeV. These forward-backward asymmetries are compared with predictions, at next-to-leading order in the strong and electroweak couplings. The measured effective leptonic weak mixing angle is $\sin^2θ_{ m eff}^\ell = 0.23147 \pm 0.00044 \pm 0.00005 \pm 0.00023$, where the first uncertainty is statistical, the second arises from systematic uncertainties associated with the asymmetry measurement, and the third arises from uncertainties in the fit model used to extract $\sin^2θ_{ m eff}^\ell$ from the asymmetry measurement. This result is based on an arithmetic average of results using the CT18, MSHT20, and NNPDF31 parameterisations of the proton internal structure, and is consistent with previous measurements and with predictions from the global electroweak fit.

研究の動機と目的

• LHCのLHCb実験から得たデータを用いて、sin²θₑffの精度を向上させること。
• LHCb検出器の前向き被覆性と高い角度分解能を活用することで、ハドロン衝突実験における理論的不確実性を低減すること。
• 測定されたsin²θₑffがグローバル電弱フィットおよび以前の高精度測定と整合するかを検証すること。
• 断面積のモデルに依存しない性質を高めるために、断面積領域と|Δη|のビン分割を用いることで、陽子部分子分布関数（PDFs）への感度を最小限に抑えること。

提案手法

• 有効な弱混合角に最も感度が高いイベントを抽出するために、|Δη|（ミューオンの準垂直速度差の絶対値）の10個のビンにわたり前向き-後向き非対称性AFBを測定する。
• コリンズ–ソーパー座標系を用いてcos θ*を計算し、θ*は双レプトン系の極角を表す。これにより、微分断面積におけるsin²θₑffに依存する線形項を抽出できる。
• 検出器効果および効率補正を、イベント数N(η⁻ > η⁺)とN(η⁻ < η⁺)に適用し、これらは式(5)によりAFBを定義する。
• 非対称性の測定結果を、次次精度のオーダー（NLO）のQCDおよび電弱予測と比較し、sin²θₑffを抽出する。
• 系統的不確実性は、複数のPDFセット（CT18、MSHT20、NNPDF3.1）を用いて評価され、モデル依存性を低減するために結果を平均化する。
• 運動量キャリブレーションはZ → μ⁺μ⁻イベントを用いて検証され、材料バジェット、PDF、運動量スメアリングの関数形の変更についても、結果の安定性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 理論的不確実性を低減した状態で、LHCにおけるZ → μ⁺μ⁻崩壊を用いたsin²θₑffの最も高精度な測定値は何か？
• RQ2 |Δη|で非対称性をビン分割することで、アンビンドアプローチに比べて弱混合角への感度がどのように向上するか？
• RQ3 測定されたsin²θₑffは、グローバル電弱フィットおよび以前の高精度実験とどの程度整合するか？
• RQ4 陽子PDFの不確実性が最終的なsin²θₑffの決定に与える影響は何か？そして、LHCb解析ではどのようにこれを最小化しているか？

主な発見

• 有効レプトン的弱混合角の測定値は、sin²θₑff = 0.23147 ± 0.00044（統計）± 0.00005（系統的）± 0.00023（理論）であり、以前のLHCb結果に比べて2倍以上も精度が向上した。
• 結果は世界平均値およびグローバル電弱フィットの予測と整合しており、顕著な不整合は観測されなかった。
• |Δη|で非対称性をビン分割することで、アンビンド解析に比べてsin²θₑffへの感度が14%向上した。これは、高|cos θ*|イベントへの感度が向上したためである。
• PDFセット（CT18、MSHT20、NNPDF3.1）の変更に対して結果が安定しており、最終的な結果は3つの結果の算術平均に基づき、モデル依存性を最小限に抑えた。
• 運動量キャリブレーション、材料バジェット、PDFパラメータ化からの系統的不確実性は、すべてのケースでsin²θₑffのずれが1×10⁻⁵未満にとどまり、無視できるほど小さい。
• 断面積領域（66 < mμμ < 116 GeV、2.0 < ημ < 4.5、pT,μ > 20 GeV）におけるZ → μ⁺μ⁻崩壊の使用により、高い純度と優れた角度分解能が得られ、非対称性抽出に不可欠であった。