[論文レビュー] ResBos2 and the CDF W Mass Measurement

Joshua Isaacson, Yao Fu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Scientific Research and Discoveries被引用数 13

ひとこと要約

この論文は、ResBos2コードにおける高次のQCD補正（N³LL+NNLO精度）が、CDFによるWボソン質量測定値（80,433 ± 9 MeV）と標準模型予測値（80,359.1 ± 5.2 MeV）の間にある7σの不一致を解消するかどうかを調査している。その結果、このような補正によってCDFの測定値は最大で10 MeVしか低下せず、高次の効果だけでは不一致を説明できないことが示され、その原因は検出器モデルやPDFの不確実性などの他の要因に起因している可能性が高いことが示唆された。

ABSTRACT

The recent CDF $W$ mass measurement of 80,433 $\pm$ 9 MeV is the most precise direct measurement. However, this result deviates from the Standard Model predicted mass of 80,359.1 $\pm$ 5.2 MeV by $7σ$. The CDF experiment used an older version of the ResBos code that was only accurate at NNLL+NLO, while the ResBos2 code is able to make predictions at N${}^3$LL+NNLO accuracy. We determine that the data-driven techniques used by CDF capture most of the higher order corrections, and using higher order corrections would result in a decrease in the value reported by CDF by at most 10 MeV.

研究の動機と目的

• ResBos2（N³LL+NNLO精度の一部子シャワーおよび再結合コード）の使用が、CDFのWボソン質量測定値にどのような影響を与えるかを評価すること。
• QCDにおけるNNLOでの角度係数の改良マッチングが、特にLam-Tung関係の破れに関連して、W質量抽出に与える影響を評価すること。
• PDFの不確実性がW質量決定に果たす役割を定量化すること、特にCT18 NNLO PDFからの最適化された固有ベクトル集合を用いること。
• 高次の補正およびPDFの不確実性を考慮した場合、m_T、p_T(ℓ)、p_T(ν)の異なる観測量におけるW質量抽出の感度を比較すること。

提案手法

• 次に次に次に対数（N³LL）再結合コードと次に次に固定順（NNLO）計算が一致したResBos2を用い、QCD精度を向上させたWボソン生成を計算した。
• MCFMから得たk要因を用いて、NNLOにおける角度分布を正しく再現し、元のResBosコードがLam-Tung関係の破れを考慮していなかった問題を是正した。
• ePump最適化を用いてCT18 NNLO PDF誤差セットを処理し、m_T分布に対して最も関連性の高い3組の固有ベクトルペアを抽出した。これにより58個の誤差PDFを6セットに削減し、分散の99.6％を保持した。
• Q = 100 GeVにおけるWボソンとZボソンの断面積のPDF由来相関、およびM_WとPDF比（d/u、d̄/ū、s、g）の相関を計算した。
• m_T、p_T(ℓ)、p_T(ν)分布を分析し、最適化された固有ベクトルセットを用いたモンテカルロスタディで、観測量間でのPDF不確実性を比較した。
• CT18、CTEQ6M、MMHT2014の異なるPDFセットと観測量を用いて、W質量予測値のシフトを定量化した。CT18 NNLOにおける中央予測値は80,385 MeVであった。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ResBos2（N³LL+NNLO）を古いResBos（NNLL+NLO）の代わりに使用した場合、CDFのWボソン質量測定値が10 MeV以上低下するだろうか？
• RQ2 ResBos2における改良されたNNLO角度係数が、特に低p_T領域において、W質量抽出にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ3 PDFの不確実性、特にd、ū、およびg PDFの不確実性が、m_T、p_T(ℓ)、p_T(ν)分布からのWボソン質量抽出にどのように相関しているか？
• RQ4 ePump最適化によって得られた最初の3つの固有ベクトルペアが、m_T分布における総PDF不確実性の何パーセントを占めているか？
• RQ5 p_T(ℓ)またはp_T(ν)から抽出されたM_WにおけるPDF由来不確実性は、m_Tから抽出した場合よりも大きいのか、そしてその理由は何か？

主な発見

• ResBos2にN³LL+NNLO補正を組み込むと、CDFのWボソン質量測定値は最大で10 MeVしか低下せず、7σの不一致を解消するには不十分であることが示された。
• ResBos2におけるNNLOでの角度係数の改良マッチングにより、Lam-Tung関係の破れが正しく扱われ、系統的バイアスが低減されたが、p_T(W) < 15 GeVのカットのため、M_Wに与える影響は小さい。
• ePump最適化されたCT18 NNLO PDFからの上位3つの固有ベクトルペアは、m_T分布における分散の99.6％を占め、EV01がM_W付近のジャコビアン領域で支配的である。
• M_WにおけるPDF由来不確実性は、x ≈ 0.04におけるdおよびd̄/ū PDF比と強く相関しており、これはテバトロンにおけるW生成の典型的な領域である。
• p_T(ℓ)から抽出されたM_WにおけるPDF不確実性は、m_Tよりも大きい。これはグルーオンPDFの不確実性が大きいことによるもので、表7により、CTEQ6Mでは20.9 ± 10.2 MeV vs. 19.0 ± 10.4 MeVと確認された。
• CT18 NNLOにおける中央予測値80,385 MeVは、標準模型予測と整合的であるが、CDFの測定値は依然として48 MeV高いままであり、高次のQCD補正だけでは不一致が解消されていないことが示された。