[論文レビュー] Measuring the W Boson Mass at Hadron Colliders

U. Baur|ArXiv.org|Apr 28, 2003

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 17被引用数 3

ひとこと要約

この論文はハドロン衝突型加速器におけるWボソン質量測定技術を評価し、TevatronのRun IIおよびLHCに焦点を当てている。横方向質量フィッティング法と比値法を比較し、Tevatronでは1実験あたり30 MeVの精度、LHCでは15 MeVの精度を予想しており、電弱放射修正を介してヒッグスボソン質量の間接的決定が可能になる。

ABSTRACT

We discuss the prospects for measuring the W mass in Run II of the Tevatron and at the LHC. The basic techniques used to measure M_W are described and the statistical, theoretical and detector-related uncertainties are discussed in detail.

研究の動機と目的

• TevatronのRun IIおよびLHCにおけるWボソン質量測定の実現可能性と精度を評価すること。
• M_Wの決定に影響を与える統計的、理論的、および検出器関連の不確実性を評価すること。
• 従来のM_Tフィッティング手法と、M_W/M_Zを直接測定可能なW/Z横方向質量比値法との性能を比較すること。
• さまざまな積分 luminosity スシナリオ（Run IIbおよびLHCデータセットを含む）におけるM_W測定の達成可能な精度を予測すること。
• M_Wを用いた精密電弱補正を通じてヒッグスボソン質量の間接的決定を支援すること。

提案手法

• M_T = \sqrt{2 p_T(\ell) p_T(\nu) (1 - \cos \phi_{\ell,\nu})} を用いてM_Wを測定する主観測量とし、p_T^Wへの感度を最小限に抑える。
• M_T分布のフィッティングによりM_Wを抽出し、検出器分解能、p_T^Wモデル化、エネルギースケールキャリブレーションからの系統的不確実性を扱う。
• 共通のスケール不確実性をキャンセルするため、W/Z横方向質量比値法を適用し、直接M_W/M_Zを測定する。
• 検出器関連の系統的不確実性を低減するため、Z \to \ell\ell データを用いて反動エネルギーおよび分解能をキャリブレートする。
• Run Iの外挿データとRun IIおよびLHCの luminosity に対するモンテカルロシミュレーションを用いて不確実性を予測する。
• p_T^Wのスメアリングおよび検出器分解能がM_Tおよびp_T(\ell)分布に与える影響を検討し、安定性の観点からM_Tを優先する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TevatronのRun IIにおいて、M_Tフィッティング法を用いた場合のM_W測定の予想される精度は何か？
• RQ2 検出器関連および理論的不確実性はM_W測定にどのように影響を与えるか。それらは軽減可能か？
• RQ3 高 luminosity 条件下で、W/Z横方向質量比値法は従来のM_Tフィッティング法を上回る性能を示せるか？
• RQ4 M_W測定において系統的不確実性が統計的不確実性を上回るようになるのはどの luminosity 水準か？
• RQ5 LHCではどの程度のM_W精度が達成可能か。また、それによりヒッグスボソン質量の間接的決定が可能になるか？

主な発見

• TevatronのRun IIにおけるWボソン質量の精度は、統計的および系統的不確実性を考慮して、1実験あたり±30 MeVと予想される。
• 15 fb$^{-1}$の積分 luminosity では、総不確実性が±17 MeVにまで低下すると予想され、系統的誤差が支配的になる。
• LHCで10 fb$^{-1}$のデータを得た場合、統計的不確実性は2 MeV未満になると予想され、0.02%のレプトンエネルギースケール精度を達成すれば、総不確実性は±15 MeVまで低下する。
• W/Z横方向質量比値法は系統的不確実性を顕著に低減する。30 fb$^{-1}$では予想される系統的不確実性が3 MeVにまで低下するが、M_Tフィッティングでは15 MeVにとどまる。
• 15 fb$^{-1}$を超える luminosity では、比値法による総不確実性（±11 MeV）がM_Tフィッティング（±16 MeV）を下回り、高 luminosity 環境下での優位性が明確になる。
• DØ Run Ibのプロトタイプ分析では、比値法によりM_W = 80.115 \pm 0.211~{\rm (stat.)} \pm 0.050~{\rm (syst.)} GeVが得られ、統計的誤差が大きくても系統的誤差が小さいことが確認された。