[論文レビュー] Probing the weak mixing angle at high energies at the LHC and HL-LHC

S. Amoroso, Mauro Chiesa+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、LHCおよびHL-LHCにおける中性荷電-current Drell-Yan過程における次-leading order (NLO) 電弱補正を用いて、修正最小部分減算 (MS) スキームにおける電弱混合角のエネルギースケール依存性を精密に探る手法を提案する。√s = 13.6 TeVでの陽子-陽子衝突を、完全なNLO電弱精度とハイブリッドな規約化スキームでシミュレートした結果、HL-LHCではmℓℓ = 1000 GeVでsin²θMS_W(μ)を1.9%の精度で測定可能であり、mℓℓ = 3250 GeVでは3.5%の精度に達する。主な制限要因はPDFの不確実性である。

ABSTRACT

Measurements of neutral current Drell-Yan production at large invariant dilepton masses can be used to test the energy scale dependence (running) of the electroweak mixing angle. In this work, we make use of a novel implementation of the full next-to-leading order electroweak radiative corrections to the Drell-Yan process using the $\overline{\mathrm{MS}}$ renormalization scheme for the electroweak mixing angle. The potential of future analyses using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13.6~\mathrm{TeV}$ in the Run 3 and High-Luminosity phases of the LHC is explored. In this way, the Standard Model predictions for the $\overline{\mathrm{MS}}$ running at $\mathrm{TeV}$ scales can be probed.

研究の動機と目的

• LHCにおける高質量Drell-Yan生成の感度が、MS規約化スキームにおける電弱混合角のエネルギースケール依存性をどの程度探ることができるかを調査すること。
• Run 3およびHL-LHCのデータが、標準模型が予測するsin²θMS_W(μ)のエネルギースケール依存性をどの程度探ることができるかを評価すること。
• パートン分布関数 (PDF) やQCD、高次項補正の欠落といった理論的不確実性が、sin²θMS_W(μ)の感度に与える影響を評価すること。
• 一次的近似ではなく、完全なNLO電弱補正を用いた、初めての直接的な感度評価を提供すること。

提案手法

• 本研究では、POWHEG-BOX-V2モンテカルロイベントジェネレータに、完全なNLO電弱補正を新規に実装し、ハイブリッド規約化スキームを用いる：αMS_EM(μ)およびsin²θMS_W(μ)はMSスキーム、mZはオンシェルスキーム。
• 三重微分断面積を、二重子のインバリアント質量 (mℓℓ)、急速度 (yℓℓ)、Collins-Soper角 (θCS) の関数としてシミュレートし、6つのmℓℓチャンク、6つの|yℓℓ|チャンク、2つのcosθCSチャンクを用いる。
• SM仮定のもとで断面積の疑似データを生成し、各mℓℓチャンクごとにsin²θMS_W(μ)を変化させることで感度を模擬する。
• xFitterツールを用いて、統計的・実験的不確実性、PDF、QCD、電弱理論的不確実性をネガティブパラメータとして組み込んだχ²最小化フィットを実行する。
• 疑似データにフィットさせ、各チャンクごとのsin²θMS_W(μ)の変動に対する不確実性を測定することで、感度δ sin²θMS_W(μ)を抽出する。
• PDFセットの依存性を、NNPDF31、NNPDF40、MSHT20、CT18A、ABMP16を用いて、光子PDFを含む・含まないの両方でテストし、不確実性のロバストネスを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCおよびHL-LHCにおける高質量Drell-Yan生成は、TeVスケールエネルギーでのsin²θMS_W(μ)のエネルギースケール依存性をどの程度探ることができるか？
• RQ2 完全なNLO電弱補正を用いた場合、mℓℓ > 1 TeVにおけるsin²θMS_W(μ)の変動に対する期待される感度はどの程度か？
• RQ3 PDFの不確実性は、高質量Drell-Yan過程における混合角のエネルギースケール依存性の感度にどの程度影響を与えるか？
• RQ4 HL-LHCのシナリオは、一次的近似の研究と比較して、弱混合角のMSスケール依存性をどの程度改善して探査できるか？
• RQ5 異なるPDFセットは、sin²θMS_W(μ)の感度推定値にどの程度の影響を及ぼすか？

主な発見

• HL-LHCでは、mℓℓ = 1000 GeVでδ sin²θMS_W(μ)の感度が1.9%に達すると予想され、mℓℓ = 3250 GeVでは3.5%に低下する。
• Run 3では、mℓℓ = 1000 GeVで2.3%、mℓℓ = 3250 GeVで6.6%の感度が得られると予想される。
• 感度の最大の不確実性要因はPDFであり、使用するPDFセットに応じて、最高のmℓℓチャンクでは最大50%の変動を示す。
• 光子PDFを含む・含まないのどちらのセットを使用しても、PDFの不確実性は同程度であり、光子の寄与が感度推定値に顕著な影響を与えないことを示している。
• 完全なNLO電弱補正が、正確な感度推定に不可欠であることが示された。一次的近似では、真の感度が低く見積もられる可能性がある。
• 結果から、HL-LHCは高エネルギー領域で標準模型のsin²θMS_W(μ)のエネルギースケール依存性をパーセントレベルの精度で探査可能であり、標準模型の電弱相互作用領域に対する厳密なテストが可能であることが示された。