[論文レビュー] Present and Future Electroweak Precision Measurements and the Indirect Determination of the Mass of the Higgs Boson

U. Baur, Clare, R.+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、精密電弱観測量（$M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$、$m_t$）を用いたヒッグスボソン質量（$M_H$）の間接的決定を評価しており、将来の加速器（LHCおよびLC/GigaZ）において、理論的およびパrametricな不確実性が実験的不確実性の向上に伴い主導的になるという予測を含む。現在と将来の実験的不確実性と理論的補正の推定値を組み合わせることで、$M_H$ に対する相対精度が8%以上に達すると予想される。

ABSTRACT

We discuss the experimental and theoretical uncertainties on precision electroweak observables and their relationship to the indirect constraints on the Higgs-boson mass, $\MH$, in the Standard Model (SM). The critical experimental measurements ($\MW$, $\sweff$, $\mt$, ...) are evaluated in terms of their present uncertainties and their prospects for improved precision at future colliders, and their contribution to the constraints on $\MH$. In addition, the current uncertainties of the theoretical predictions for $\MW$ and $\sweff$ due to missing higher order corrections are estimated and expectations and necessary theoretical improvements for future colliders are explored. The constraints from rare B decays are also discussed. Analysis of the present experimental and theoretical precisions yield a current upper bound on $\MH$ of $\sim 200$ GeV. Including anticipated improvements corresponding to the prospective situation at future colliders (Tevatron Run II, LHC, LC/GigaZ), we find a relative precision of about 25% to 8% (or better) is achievable in the indirect determination of $\MH$.

研究の動機と目的

• 電弱精密観測量（$M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$、$m_t$）の現在および将来の実験的および理論的不確実性が $M_H$ を制約する方法を評価すること。
• $M_W$ および $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ の理論的予測に影響を与える高次項補正の欠落が及える影響を評価すること。
• 将来の加速器（Tevatron Run II、LHC、LC/GigaZ）における $M_H$ の間接的決定の達成可能な精度を予測すること。
• パrametric不確実性および内在的不確実性を低減するための理論的および実験的改善の必要性を特定すること。
• レアなB崩壊からの制約と、$M_H$ のグローバルフィットにおけるその役割を検討すること。

提案手法

• 標準模型内での $M_H$ の制約を目的とした電弱精密観測量（$M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$、$m_t$）のグローバルフィットを用いる。
• $M_W$ および $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ の理論的不確実性を、二ループ補正の欠落および $\Delta\alpha_{\text{had}}$ の不確実性に基づいて推定する。
• Tevatron Run II、LHC、LC/GigaZ からの予想されるデータに基づき、将来の実験的不確実性を予測する。$M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$、$m_t$ の測定精度が向上すると仮定する。
• $\Delta\alpha(M_Z)$ および $\alpha_s(M_Z)$ からのパrametric不確実性を評価し、$\sqrt{s} \leq 5$ GeV 以下のハドロン断面積測定の改善が求められることを示す。
• 実験的、理論的、パrametricな不確実性を平方和で組み合わせ、$M_H$ の累積的精度を推定する。
• $\alpha_s(M_Z)$ および $\Delta\alpha(M_Z)$ が $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ および $M_W$ の精度を制限する役割を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在の電弱精密データに基づくヒッグスボソン質量の上限は何か？
• RQ2 $M_W$ および $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ の実験的および理論的不確実性が、$M_H$ の間接的決定に与える影響は何か？
• RQ3 Tevatron Run II、LHC、LC/GigaZ などの将来の加速器で、測定精度と理論的制御が向上した場合、$M_H$ の精度はどの程度達成可能か？
• RQ4 $M_W$ および $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ の内在的不確実性を将来的な実験的精度に合わせて低減するためには、どのような理論的改善が必要か？
• RQ5 $\Delta\alpha(M_Z)$ および $\alpha_s(M_Z)$ の不確実性が、グローバルフィットにおける $M_H$ の精度をどの程度制限するか？

主な発見

• 現在のヒッグスボソン質量の上限は、実験的および理論的精度を考慮して約200 GeVである。
• Tevatron Run II の終了時には、$M_H$ の相対的精度が約25%に達すると予想され、LHC後に18%に向上し、LC/GigaZ後に8%にまで向上する。
• 完全な二ループ補正と入力パramータの不確実性低減を仮定した場合、$M_W$ と $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ の理論的不確実性はそれぞれ3 MeVおよび$1.7 \times 10^{-5}$と推定される。
• GigaZで8%の精度を達成するためには、$\Delta\alpha(M_Z)$ の不確実性を$7 \times 10^{-5}$まで低減する必要があり、低エネルギー領域のハドロン断面積測定の改善が不可欠である。
• $\delta\alpha_s(M_Z) = \pm 0.0010$ および $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 5 \times 10^{-5}$ の場合、GigaZにおける $M_H$ の精度は7%まで向上する可能性がある。
• $M_Z$ の実験的不確実性（$\delta M_Z = 2.1$ MeV）は、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$ の精度の制限要因となり、不確実性に$1.4 \times 10^{-5}$を寄与する。この不確実性は近い将来に顕著に改善されない見込みである。