[論文レビュー] PDF uncertainties in WH production at Tevatron

Pavel Nadolsky, Zack Sullivan|arXiv (Cornell University)|Oct 30, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 34

ひとこと要約

この論文は、テバトロンにおけるウィー・ボソンとヒッグス・ボソン（WH）生成の理論的不確実性を推定するためにCTEQヘシアンPDF不確実性手法を適用し、信号およびバックグラウンド率におけるPDF不確実性が約3%であるが、S/Bなどの主要な統計的観測量では、信号とバックグラウンドのPDF誤差の強い相関により、1.5%にまで低減されることを明らかにした。

ABSTRACT

We apply a method proposed by members of CTEQ Collaboration to estimate the uncertainty in associated $W$-Higgs boson production at Run II of the Tevatron due to our imprecise knowledge of parton distribution functions. We find that the PDF uncertainties for the signal and background rates are of the order 3%. The PDF uncertainties for the important statistical quantities (significance of the Higgs boson discovery, accuracy of the measurement of the (WH) cross section) are smaller (1.5%) due to the strong correlation of the signal and background.

研究の動機と目的

• 標準模型ヒッグス・ボソンのテバトロンにおけるWH生成による発見可能性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。
• PDF不確実性が、Mbb分布におけるサイドバンドから信号領域へのバックグラウンド外挿の精度にどのように影響するかを調査すること。
• ヒッグス・ボソン探索における統計的有意水準および断面積測定の精度に及ぼすPDF不確実性の影響を評価すること。
• 信号とバックグラウンドのPDF誤差の相関が、S/BやS/√Bなどの主要な観測量における総合不確実性を低減する役割を検討すること。
• ハドロン衝突型加速器における高精度ヒッグス・ボソン研究において、非対称PDF誤差と相関解析を用いることの重要性を提言すること。

提案手法

• 最小値の近傍でχ²ヘシアン行列を対角化することに基づくCTEQヘシアンPDF不確実性手法を適用し、PDF不確実性を推定する。
• 許容可能なPDFセットを定義するためにz座標空間における許容 hypersphere（T=10）を用い、有限差分により変動を計算：δO_i ≈ T × [O(z_i^0 + t) - O(z_i^0 - t)] / (2t)，t=5。
• 全PDF不確実性をδO = √(∑δO_i²)として計算し、32個の断面積変動を二乗和の平方根で結合することで、モンテカルロ誤差の蓄積を回避する。
• 信号（WH → W + b̄b）とバックグラウンド（Wb̄b）をMADGRAPHで木レベル行列要素を用いてモデル化し、検出器の受容率カットとジャケットエネルギーのスミアリングを適用する。
• SHW 2.3で定義されたbタギング効率とレプトン分離カットを用い、テバトロンRun II検出器の受容率をシミュレートする。
• 誤差ベクトル間のなす角のコサインを用いて、信号とバックグラウンドのPDF誤差の相関を定量化：cosφ = (1/(δS δB)) × ∑(δS_i δB_i)。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンにおけるWH生成断面積および主要なWb̄bバックグラウンド率におけるPDF不確実性の大きさは何か？
• RQ2 PDF不確実性は、サイドバンドからヒッグス信号領域へのバックグラウンド外挿の精度にどのように影響するか？
• RQ3 信号とバックグラウンドのPDF誤差の相関が、S/BやS/√Bなどの統計的観測量における不確実性をどの程度低減するか？
• RQ4 信号とバックグラウンドのPDF不確実性は非対称的であり、その影響は誤差推定にどのように現れるか？
• RQ5 PDF誤差の相関構造は、ヒッグス・ボソン探索におけるバックグラウンドモデルの信頼性にどのように影響するか？

主な発見

• WH信号率（S）におけるPDF不確実性は3.0%であり、Wb̄bバックグラウンド率（B）では3.1%である。非対称誤差を伴い、S = 49.7_{-1.4}^{+1.8}、B = 110.1_{-4}^{+3.6}である。
• 信号対バックグラウンド比S/Bにおける相対不確実性は、信号とバックグラウンドのPDF誤差の強い正の相関（cosφ = 0.89）により1.5%にまで低減されている。
• S/√Bにおける不確実性は1.8%、√(S+B)/Sでは1.7%であり、いずれもSおよびBの個別の3%の不確実性より小さい。
• 信号とバックグラウンドのPDF誤差間の相関コサインは高く（0.89）、PDF不確実性が主にMbb分布の正規化に影響を及ぼすが、形状に与える影響は小さいことを示している。
• 上部および下部サイドバンドのバックグラウンド間の相関も強く（cosφ = 0.62）あり、サイドバンドからのバックグラウンド外挿の信頼性を裏付けている。
• SおよびBに3%のPDF不確実性があるにもかかわらず、ヒッグス・ボソン発見の有意水準への累積的影響は小さく（約1.5–1.8%）、15 fb⁻¹の光度で予想される最終的な統計的不確実性（約25%）よりもはるかに小さい。