[論文レビュー] Strategies for precision measurements of the charge asymmetry of the W boson mass at the LHC within the ATLAS experiment

F. Fayette|ArXiv.org|Jun 23, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本博士論文は、LHCにおけるATLAS実験を用いたWボソン質量の電荷非対称性（$M_{W^+} - M_{W^-}$）の高精度測定のための新規戦略を提案する。新たな観測量の導入およびトラッカー設定やLHC運転モードの最適化により、系統的不確実性が低減され、標準的なテバトロンベースの手法に比べ20倍の精度向上が予想される。

ABSTRACT

This thesis dissertation presents a prospect for a measurement of the charge asymmetry of the W boson mass (MW+ - MW-) at the LHC within the ATLAS experiment. This measurement is of primordial importance for the LHC experimental program, both as a direct test of the charge sign independent coupling of the W bosons to the fermions and as a mandatory preliminary step towards the precision measurement of the charge averaged W boson mass. This last pragmatic point can be understood since the LHC specific collisions will provide unprecedented kinematics for the positive and negative channels while the SPS and Tevatron collider produced W+ and W- on the same footing. For that reason, the study of the asymmetries between W+ and W- in Drell--Yan like processes (production of single W decaying into leptons), studied to extract the properties of the W boson, is described thoroughly in this document. Then, the prospect for a measurement of MW+ - MW- at the LHC is addressed in a perspective intending to decrease as much as possible the systematic errors that will inevitably comes from the misunderstanding of both phenomenological and apparatus modeling. For that matter strategies have been devised specifically for the present measurement to display robustness with respect to the main uncertainties. These strategies consist of introducing new observables along with considering specific LHC running modes and configurations of the ATLAS tracker. Eventually we show that the present (2009) precision can be improved at the LHC by a factor of 20 and argue that such a precision is beyond the reach of the standard measurement and calibration methods imported to the LHC from the Tevatron program.

研究の動機と目的

• Wボソンとフェルミオンの間に電荷符号に依存しない結合を示す標準模型の検証として、LHCにおけるWボソン質量の電荷非対称性（$M_{W^+} - M_{W^-}$）の高精度測定を可能にすること。
• Wボソン崩壊における検出器応答やパートンシャワーモデルの不完全さに起因する系統的不確実性の問題に対処すること。
• 一様かつ非一様なエネルギースケールバイアス、分解能効果、およびパートンの横運動量（$k_T$）モデル化に強く影響されない堅牢な解析戦略の開発。
• LHCの要求水準に適合するには不十分な、従来のテバトロン由来の手法の精度を上回ること。
• まず高精度で電荷非対称性を測定することで、将来の平均Wボソン質量の高精度測定の基盤を築くこと。

提案手法

• $W^+ \to \ell^+ \nu$ および $W^- \to \ell^- \bar{\nu}$ 崩壊からの電荷を帯びたレプトンの横運動量（$p_{T,l}$）スペクトルに基づく電荷非対称性手法を導入。
• モンテカルロシミュレーション（WINHAC, Pythia, PHOTOS）から生成された質量テンプレートを用いた尤度解析により、$W^+$ および $W^-$ のインヴァリアント質量分布をモデル化。
• 一様および非一様なエネルギースケールシフト（例：$\varepsilon_l = \pm 0.05\%$ から $0.5\%$）を制御した擬似データを用い、非対称性手法のロバストネスを評価。
• $p_{T,l}$ と速さ（$y_W$）の両分布を組み合わせた二重電荷非対称性手法を適用し、感度を向上させ、モデル依存性を低減。
• $p_{T,l}$ と電荷非対称性のビン化された分布に対する $\chi^2$ 最小化を実行し、バイアスを最小限に抑えて $M_{W^+} - M_{W^-}$ を抽出。
• さまざまなパートン $k_T$ 分布および受容性カットの下で手法をテストし、QCD効果への安定性と感度を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCでWボソン質量の電荷非対称性を十分な精度で測定可能か。その結果、W-フェルミオン結合の電荷符号不変性を検証可能か。
• RQ2 一様および非一様な検出器エネルギースケールバイアスが $M_{W^+} - M_{W^-}$ 測定に与える系統的不確実性の影響はいかほどか。
• RQ3 $p_{T,l}$ に基づく新たな観測量は、標準的な質量フィッティングに比べ、モデル依存性をどれほど低減し、ロバストネスを向上させるか。
• RQ4 パートンの横運動量（$k_T$）モデル化および検出器分解能が最終的な非対称性測定に与える影響は。
• RQ5 二重電荷非対称性手法は、古典的手法に比べ、系統的誤差の低減と精度向上の点で優れているか。

主な発見

• 提案された電荷非対称性手法により、系統的誤差が顕著に低減され、標準的なテバトロン由来手法に比べ20倍の精度向上が予想される。
• 一様なエネルギースケールバイアス（$\varepsilon_l = 0.5\%$）に起因する系統的誤差は、古典的手法に比べ2〜3倍低減され、二重電荷非対称性手法はより優れたロバストネスを示す。
• 非一様なエネルギースケールバイアス（$\varepsilon_l = \pm 0.5\%$）は測定非対称性に大きなシフトを引き起こすが、最適化された観測量によりこの影響が緩和される。
• パートン $k_T$ 分布の変動に対しても手法はロバストであり、$\langle k_T \rangle$ の値が変化しても $\chi^2$ 結果は安定している。
• $y_W$ 依存の非対称性を組み込むことで感度が向上し、最終的な $M_{W^+} - M_{W^-}$ 抽出に与えるモデル化不確実性の影響が低減される。
• 適切なビン分割とシード選択による質量テンプレート生成により、$\chi^2$ フィッティングが安定し、テンプレートがわずかにずれても（例：$M_{W^+}^\text{PD} = M_{W^-}^\text{PD} + 100\,\text{MeV}$）無視できるバイアスしか生じない。