[論文レビュー] Precision Measurements of Electroweak Parameters with Z Bosons at the Tevatron

A. Bodek|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、テバトロンにおける陽子-陽陽子衝突からの二重レプトン事象を用いて、効果的電弱混合角 $ \sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ の高精度測定と、Wボソン質量の間接的決定を提示する。CDFとD0合同研究は、高度なキャリブレーション、イベント重み付け、PDF制約技術を適用することで、0.0005未満の不確かさを達成し、$ \sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23222 \pm 0.00046$（CDF）および $0.23146 \pm 0.00047$（D0）を測定した。間接的 $M_W = 80.327 \pm 0.023$ GeV は、標準模型と整合的であるが、直接測定との間で長年の矛盾を示している。

ABSTRACT

We report on the extraction of $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z)$ and an indirect measurement of the mass of the W boson from the forward-backward asymmetry of dilepton events in the $Z$ boson mass region at the Tevatron. The data samples of $e^+e^-$ and $\\mu^+\\mu^-$ events collected by the CDF detector correspond to the full 9.4 fb$^{-1}$ run II sample and yield an effective electroweak mixing angle $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z) = 0.23222 \\pm 0.00046$. The corresponding result reported by the D0 collaboration with the full 9.4 fb$^{-1}$ $e^+e-$ sample is $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z) = 0.23146 \\pm 0.00047$. The CDF collaboration also extracts the on-shell electroweak mixing angle $ \\sin^2 \ heta_W = 0.22401 \\pm 0.00044$ which corresponds to an indirect measurement of the W boson mass $M_W ({\ m indirect}) = 80.327 \\pm 0.023 \\;{\ m GeV}$. The quoted uncertainties include both statistical and systematic contributions.

研究の動機と目的

• LEP-1とSLDによる $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 測定の間にある3.2σの矛盾を解消するため、テバトロンで新たな競争力のある測定を実施すること。
• Zピーク近傍の二重レプトン事象における前後非対称性を用いて、Wボソン質量の測定精度を向上させること。
• 高度なキャリブレーション、イベント重み付け、PDF制約技術を導入することで、電弱パラメータ抽出における系統的不確かさを低減すること。
• 既知のヒッグスボソン質量と比較することで、標準模型の整合性を検証すること。間接的 $M_W$ 予測と直接測定を照合する。
• A_{\rm fb}-制約付きPDFレプリカを用いて、$\sin^2\theta_{W}$ のPDF不確かさを抑制した堅牢な測定を実施すること。

提案手法

• ミュオンおよび電子の新しい検出器エネルギースケールキャリブレーション技術を適用し、偽快速度 $\eta$、方位角角 $\phi$、電荷に依存するように変化させ、系統的不確かさを低減した。
• 受容性および効率の不確かさを相殺するために、$\cos\theta$ の係数 $A_4$ を測定するイベント重み付け手法を用い、反クオーラム希釈のための追加重みを導入して迅速度依存性を排除した。
• Zフィッター効果的ボーン近似（EBA）電弱放射補正をPOWHEGおよびRESBOSシミュレーションに組み込み、$\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ と $\sin^2\theta_W = 1 - M_W^2/M_Z^2$ の同時抽出を可能にした。
• PDFレプリカ（nnpdf3.0 nnlo）に対して $\chi^2$-重み付け技術を適用し、$A_{\rm fb}(M)$ データと一致しないレプリカを低重み化することで、$\sin^2\theta_W$ のPDF不確かさを20%低減した。
• 二重レプトン事象からZボソン質量領域における前後非対称性 $A_{\rm fb}(M)$ を抽出し、$A_{\rm fb} = 3A_4/8$ として $\sin^2\theta_{W}$ を制約した。
• 分析には、CDFおよびD0のテバトロンRun IIの全9.4 fb$^{-1}$ データサンプルを用い、統計的および系統的不確かさを併用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンは、LEP-1とSLD測定の間の矛盾を解消するために、$\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ において0.0005未満の精度を達成できるか？
• RQ2 A_{\rm fb}-制約付きPDFレプリカは、$\sin^2\theta_W$ および $M_W$ のPDF関連不確かさをどの程度低減できるか？
• RQ3 ヒッグスボソン質量 $M_H = 125.6$ GeV を前提とした場合、二重レプトン非対称性からの間接的 $M_W$ 測定値は、直接測定値および標準模型予測とどのように一致するか？
• RQ4 高度なキャリブレーションおよび重み付け技術は、SLDおよびLEP-1実験と同等の系統的不確かさを抑制できるか？
• RQ5 LHC実験による更新済み $M_t$ 値と組み合わせたテバトロンの $M_W^{\rm indirect}$ は、標準模型予測との間で矛盾をさらに強めるか？

主な発見

• CDF共同研究は、$\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23222 \pm 0.00046$ を測定し、統計的および系統的寄与を含む不確かさを含む。
• D0共同研究は、全9.4 fb$^{-1}$ の $e^+e^-$ サンプルを用いて、$\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23146 \pm 0.00047$ を測定した。
• CDF共同研究は、オンシェル $\sin^2\theta_W = 0.22401 \pm 0.00044$ を抽出し、これにより間接的 $M_W = 80.327 \pm 0.023$ GeV を得た。
• $\chi^2$-重み付け技術により、標準PDFセットと比較して $\sin^2\theta_W$ のPDF不確かさが20%低減された。
• 間接的 $M_W$ 測定値は、標準模型予測 $M_W \approx 80.327$ GeV と整合的であるが、世界平均 $M_t$ を組み合わせると、標準模型予測から1.5σ高い位置に位置している。
• 2015年のCMS $M_t$ 測定値と以前のテバトロン $M_t$ 値との間に2σの矛盾が確認され、これが確認されれば $M_W$ の乖離はさらに拡大する。