[論文レビュー] Snowmass White Paper: prospects for measurements of the bottom quark mass

Javier Aparisi, J. Fuster+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2022

Distributed and Parallel Computing Systems被引用数 4

ひとこと要約

このSnowmassホワイトペーパーは、将来の高エネルギー加速器、特にヒッグスファクトリーと呼ばれる電子・陽電子衝突型加速器が、ヒッグスボソンのスケール（$m_b(m_H)$）および$Z$ボソンのスケール（$m_b(m_Z)$）におけるボトムクォーク質量の精密測定を可能にし、10 MeV未満の精度に達すると予測している。これらの測定により、QCDが予測するボトムクォーク質量のスケール依存性（ランニング）が0.1‰未満の精度でテストされ、電弱スケール未満の新しい色荷を持つ物理学に対する厳密な制約が得られる。

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass '21 community planning exercise we provide quantitative prospects for bottom quark mass measurements in high-energy collisions at future colliders that can provide a precise test of the scale evolution, or "running" of quark masses predicted by QCD.

研究の動機と目的

• 高エネルギー領域におけるボトムクォーク質量の測定精度を予測すること、特にヒッグスボソン質量および$Z$ボソン質量における測定を対象とする。
• $¯{\mathrm{MS}}$スキームにおけるボトムクォーク質量のスケール依存性（ランニング）のQCD予測に対する定量的テストを可能にする。
• ランニング挙動のずれを通じて、重い色荷を持つ新物理（例：重いクォークやグルーオンの励起状態）への感受性を評価する。
• $m_b(m_H)$、$m_b(m_Z)$の高精度測定と、改善された$µ_s$の決定を組み合わせることで、ランニング予測における理論的不確実性を低減する。
• $m_b$から$m_H$までのボトムクォーク質量のスケール依存性を数‰の精度でマッピングするための将来の加速器実験のロードマップを確立する。

提案手法

• 将来のヒッグスファクトリーにおける$e^+e^-$衝突を用い、$H \to b\bar{b}$の崩壊断面積を$H \to ZZ^*$の断面積で正規化することで、$m_b(m_H)$を抽出する。高流量データを活用する。
• $Z$ボソンのピーク領域における$e^+e^-$衝突での三ジェット率測定を用い、質量を持つクォーク補正を含むNLO QCD計算を適用することで、$m_b(m_Z)$を抽出する。
• REvolverソフトウェアを用いた五ループの正準化群発展（RGE）計算により、$m_b(m_b)$から$m_H$までの$\mu$依存性$ m_b(\mu) $ を予測する。
• $\alpha_s(m_Z)$の改善された決定（不確実性0.5%未塔）を組み込むことで、ランニング予測における理論的不確実性を低減する。
• 低エネルギー領域での$m_b(m_b)$測定（ボトムニュウム準位構造と格子QCD）と高エネルギー領域での決定を組み合わせ、全スケールにおけるランニング曲線をマッピングする。
• 異なるスケールでの測定値の整合性を、クォーク質量ランニングのQCD予測に対する高精度の整合性テストとして用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $H \to b\bar{b}$崩壊断面積の測定を用いて、ヒッグスボソン質量スケール（$m_b(m_H)$）における$¯{\mathrm{MS}}$ボトムクォーク質量の測定精度はどの程度達成可能か？
• RQ2 三ジェット率測定を用いた$Z$ボソンスケール（$m_b(m_Z)$）における$¯{\mathrm{MS}}$ボトムクォーク質量の測定精度は、QCDランニングのテストに十分な程度に達するか？
• RQ3 $m_b(m_H)$および$m_b(m_Z)$の測定値を組み合わせることで、ボトムクォーク質量の五ループQCD予測のランニングをどの程度の精度でテストできるか？
• RQ4 $\alpha_s(m_Z)$および$m_b(m_b)$の不確実性が、$m_b$から$m_H$までのランニング予測の精度にどのように影響するか？
• RQ5 ランニング挙動のずれを通じて、重い色荷を持つ新物理（例：重いクォークやグルーオン励起状態）への感受性はどの程度か？

主な発見

• $m_b(m_H)$の予測される精度は約10 MeVに達すると予想され、低エネルギー測定による現在の$m_b(m_b)$の精度と同等となる。
• $Z$ボソンのピーク領域における三ジェット率測定による$m_b(m_Z)$の測定精度は約100 MeVに達すると予想され、現在の世界平均の不確実性と整合的である。
• $m_b(m_H)$と$m_b(m_Z)$の測定値の組み合わせにより、QCDが予測するボトムクォーク質量のランニングが数‰の相対精度でテスト可能となる。
• $\alpha_s(m_Z)$の不確実性は0.5%まで低減されると予想され、ランニング予測における理論的不確実性が顕著に低減される。
• $m_H$および$m_Z$における予測される測定精度は、電弱スケール未満の新しい色荷を持つ状態への感受性を有する、標準模型のクォーク質量ランニング予測に対する強力なテストを可能にする。
• 異なるスケールでの測定値とRGE予測による発展の整合性は、高精度でのQCDの整合性を厳密に検証するための強力なチェックとなる。