[論文レビュー] Precision determination of the top-quark mass

S. Moch|arXiv (Cornell University)|Aug 26, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 27被引用数 10

ひとこと要約

本稿では、次々に次々に-leading-order (NNLO) QCD計算を用いて、全断面積から抽出された$\overline{\mathrm{MS}}$の運行質量に注目し、トップクォーク質量の高精度決定を提示する。モンテカルロ(MC)質量とポール質量の間には差異があり、理論的変換が必要であり、これにより約1 GeVの追加不確かさが生じる。最終的なポール質量の結果は、実験的および理論的不確かさを組み合わせた結果として$173.39^{+1.12}_{-0.98}$ GeVと報告されている。

ABSTRACT

Precision determinations of the top-quark mass require theory predictions with a well-defined mass parameter in a given renormalization scheme. The top-quark's running mass in the MSbar scheme can be extracted with good precision from the total cross section at next-to-next-to-leading order in QCD. The Monte Carlo top-quark mass parameter measured from comparison to events with top-quark decay products is not identical with the pole mass. Its translation to the pole mass scheme introduces an additional uncertainty of the order of 1 GeV.

研究の動機と目的

• ポール質量のネイピア的曖昧性を避けるために、$\overline{\mathrm{MS}}$のような短距離質量規格を用いた理論的に明確なトップクォーク質量の決定を提供すること。
• 実験で測定されるモンテカルロ(MC)質量（トップクォーク崩壊生成物から）をポール質量に変換する際に生じる理論的不確かさを定量化すること。
• NNLOにおけるQCDで、全断面積などの包括的観測量を用いることで、トップクォーク質量抽出の精度を向上させること。
• 標準模型の高精度テストの文脈において、異なる質量定義（MC、$\overline{\mathrm{MS}}$、ポール）の整合性と信頼性を評価すること。

提案手法

• NNLOにおけるQCDで、トップクォーク対生成の全断面積から$\overline{\mathrm{MS}}$の運行質量を理論的パrameterとして抽出する。
• 三ループまで既知の摂動的マッチング関係を用いて、$\overline{\mathrm{MS}}$質量をポール質量に変換する。
• 大規模な対数を再結合化し、摂動級数の収束性を向上させるために、正規化群方程式を適用する。
• 理論的不確かさを推定するために、二ループと三ループの変換を比較し、高次項の欠落を差分として推定する。
• 実験的不確かさ（MC質量から）と変換プロセスの理論的不確かさを平方和で組み合わせ、最終的なポール質量の結果を得る。
• スケール依存性を低減し、変換の安定性を向上させるために、低スケール（3 GeV）でのMSR質量を中間の短距離質量として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ポール質量と$\overline{\mathrm{MS}}$質量の比較において、特に正規化スキームの選択がトップクォーク質量決定の精度に与える影響は何か？
• RQ2 実験で測定されるモンテカルロ質量（トップクォーク崩壊生成物から）をポール質量に変換する際に生じる理論的不確かさの大きさはどの程度か？
• RQ3 高次QCD補正とスケール変動が、NNLOにおけるトップクォーク質量決定の一貫性にどの程度影響を及ぼすか？
• RQ4 異なる質量定義（MC、$\overline{\mathrm{MS}}$、MSR、ポール）は、摂動的収束性と理論的安定性の観点でどのように比較できるか？
• RQ5 ネイピア的曖昧性がポール質量定義に与える影響は何か？また、$\overline{\mathrm{MS}}$のような短距離質量を用いることで、この問題はどのように緩和されるか？

主な発見

• $\overline{\mathrm{MS}}$質量は、NNLOにおける全断面積から$163.40 \pm 0.76$ GeVと決定され、収束性が向上し、スケール依存性が低減された。
• 実験で測定されるモンテカルロ質量はポール質量と同一ではない。変換に起因して約1 GeVの追加理論的不確かさが生じる。
• 三ループでの$\overline{\mathrm{MS}}$質量からポール質量への変換は、中央値として$173.98$ GeVをもたらし、追加のループごとに約0.15 GeVのシフトが生じる。
• $\overline{\mathrm{MS}}$からポール質量への変換に起因する理論的不確かさは、$^{+0.32}_{-0.62}$ GeVと推定される。一方、$\overline{\mathrm{MS}}$からポール質量への変換の不確かさは、二ループと三ループの結果の差分から$+0.50$ GeVと推定される。
• 実験的不確かさと理論的不確かさを平方和で組み合わせた結果、最終的なポール質量は$173.39^{+1.12}_{-0.98}$ GeVとなり、主な理論的不確かさは$\overline{\mathrm{MS}}$からポール質量への変換に起因する。
• 本研究は、$\overline{\mathrm{MS}}$からポール質量への変換の不確かさを低減するには、さらに高次の計算（四ループ）が必要であると結論づける。現在、これが最大の理論的不確かさ要因である。