[論文レビュー] PDF uncertainties in the extraction of the W mass at LHC: a Snowmass Whitepaper

Juan Rojo, A. Vicini|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるWボソン質量測定におけるPDF不確実性を、横方向質量（$m_T^W$）分布を用いて定量的に評価し、テンプレートの正規化がNNPDF2.3 NLOを用いることでPDF由来の不確実性を約4 MeVにまで低減することを示している。さらに、レプトンの$p_T$分布についても検討し、10 MeV未満の精度を達成するためには、QCD補正の総和化とPDF制約の強化が不可欠であることが明らかになった。

ABSTRACT

The precision measurement of the W boson mass is an important milestone for the LHC physics program in the coming years. An accurate measurement of $M_W$ allows to perform stringent consistency tests of the Standard Model by means of global electroweak fits, which in turn are sensitive to New Physics at scales potentially higher than the ones explored in direct searches. From the theoretical point of view, our limited knowledge of PDFs will be one of the dominant sources of uncertainty in ongoing and future LHC determinations of $M_W$. In this whitepaper, we have quantified the impact of PDF uncertainties in the W mass extractions from the transverse mass distribution at the LHC. The calculation has been performed using the NNPDF2.3 set, which includes direct constrains on the W boson production kinematics with data for electroweak gauge boson production from the LHC. Our results confirm previous estimates that PDF uncertainties in the determination of $M_W$ from the $m_W^T$ distribution are moderate, around 10 MeV at most. We briefly discuss also the case of the lepton $p_T$ distribution.

研究の動機と目的

• LHCにおけるWボソン質量（$M_W$）の高精度抽出に及ぼす部分子分布関数（PDF）不確実性の影響を定量化すること。
• LHCにおける$M_W$測定で10 MeVレベルの精度を達成する目標が、PDF不確実性によって制限される可能性があるかどうかを評価すること。
• テンプレート分布の正規化が、$M_W$フィッティングにおけるPDF不確実性への感受性を低減する効果を評価すること。
• レプトンの横方向運動量（$p_T^l$）分布を、高次のQCD補正を考慮して代替の$M_W$抽出チャネルとして使用する可能性を検討すること。
• 特にグルーオンおよびクォーク分布からのPDF関連の課題を特定し、$W/Z$比やQED補正付きPDFセットの使用など、不確実性低減のための戦略を提案すること。

提案手法

• NNPDF2.3 NLO PDFセット（1000レプリカ）を用いて、$m_T^W$分布の高統計的・NLO-QCD精度に適合したテンプレートを生成し、PDF不確実性をモデル化した。
• 各PDFレプリカからの疑似データを、$M_W$を変化させた参照テンプレートと比較することで、正規化済みおよび非正規化済みの両分布を用いてテンプレートフィッティング分析を実施した。
• フィット領域における全積分にテンプレートを正規化することで、正規化効果と形状への感受性を分離し、$M_W$におけるPDF由来不確実性を低減した。
• PDFレプリカと最良適合$M_W$値との相関を計算し、特に非正規化と正規化のケースにおいて、PDF不確実性が$M_W$決定にどの程度強く影響するかを評価した。
• 分析をレプトンの$p_T^l$分布へ拡張し、NLO-QCD補正および支配的PDF不確実性を引き起こすクォーク-グルーオン初期状態過程の役割を評価した。
• $W/Z$比分布の使用可能性を評価し、特にグルーオンPDF由来の共通不確実性を相殺できる可能性を検討した。また、NNPDF2.3 QEDセットによるQED補正の影響も検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現代のPDFセットを用いたLHCにおける$m_T^W$分布からの$M_W$決定におけるPDF不確実性の大きさはどの程度か？
• RQ2 テンプレートの正規化が、$M_W$フィッティングにおけるPDF不確実性への感受性を顕著に低減できるか？
• RQ3 $p_T^l$分布からの$M_W$抽出におけるPDF不確実性は、$m_T^W$分布からのものと比べてどの程度か？また、高次のQCD補正はどのような役割を果たすか？
• RQ4 部分子過程（例：クォーク-反クォーク対比、クォーク-グルーオン対比）の中で、$M_W$フィッティングにおけるPDF不確実性を支配するのはどれか？また、$W/Z$分布比を用いることで不確実性を低減できるか？
• RQ5 今後のPDFセットにQED補正を組み込むことで、$M_W$決定の精度はどの程度向上できるか？

主な発見

• NNPDF2.3 NLO PDFセットを用い、正規化されたテンプレートを適用した場合、$m_T^W$分布からの$M_W$抽出におけるPDF不確実性は約4 MeVにまで低減される。
• 正規化されたテンプレートの使用により、非正規化テンプレートと比較してPDF由来不確実性が2倍に低減され、正規化が$M_W$フィッティングとPDF変動の相関を効果的に分離していることが示された。
• $m_T^W$フィッティングにおける主なPDF不確実性は正規化効果に起因するが、$M_W$への形状感受性は全体の正規化にほとんど依存しない。
• レプトンの$p_T^l$分布では、クォーク-グルーオン初期状態過程が、特にジャコビアンピーク付近で強い$p_T^W$相関を示すため、PDF不確実性に顕著に寄与する。
• クォーク-反クォーク成分によるPDF不確実性は、$m_T^W$および$p_T^l$両分布で顕著であるが、後者の場合、正確なモデル化にはQCD補正の総和化が必要である。
• 今後の$M_W$精度向上には、広い$x$範囲にわたるすべてのクォークフレーバーおよびグルーオンを制約する新たなデータが必要であり、$W/Z$比の使用が共通のPDF不確実性を相殺するのに役立つ可能性がある。