[論文レビュー] Theoretical and Experimental Status of the Indirect Higgs Boson Mass Determination in the Standard Model

U. Baur, R. Clare+5 more|ArXiv.org|Nov 23, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、電弱精度観測量、特に $M_W$ と $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ に注目し、標準模型におけるヒッグスボソン質量 ($M_H$) の間接的決定を評価する。現在の理論的不確かさは $\delta M_W \approx 7$ MeV および $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$ と推定され、将来のギgザZ能力を備えた線形衝突型加速器では、$M_H$ 決定における相対精度が約8%に達すると予測される。現在の95%信頼水準における上限は $M_H < 196$ GeV である。

ABSTRACT

The impact of theoretical and experimental uncertainties on the indirect determination of the Higgs boson mass, MH, in the Standard Model (SM) is discussed. Special emphasis is put on the electroweak precision observables MW (the W boson mass) and sin^2(theta_eff) (the effective leptonic mixing angle). The current uncertainties of the theoretical predictions for MW and sin^2(theta_eff) due to missing higher order corrections are conservatively estimated to delta MW \approx 7 MeV and delta sin^2(theta_eff) \approx 7 x 10^-5 . Expectations and necessary theoretical improvements for future colliders are explored. Results for the indirect MH determination are presented based on the present experimental and theoretical precisions as well as on improvements corresponding to the prospective situation at future colliders. The treatment of the different future colliders is done in a uniform way in order to allow for a direct comparison of the accuracies that can be reached. Taking all experimental, theoretical, and parametric uncertainties into account, a current upper bound on MH of \sim 200 GeV is obtained. Furthermore we find in a conservative approach that a Linear Collider with GigaZ capabilities can achieve a relative precision of about 8% (or better) in the indirect determination of MH.

研究の動機と目的

• 標準模型における電弱精度観測量を用いた $M_H$ の間接的決定の現在および将来の精度を評価すること。
• 特に高次の補正が欠落していることによる理論的不確かさが $M_W$ および $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ に与える影響を定量化すること。
• 将来の衝突型加速器、特にテバトロン、LHC、およびギgザZ能力を備えた線形衝突型加速器における $M_H$ 決定の達成可能な精度を予測すること。
• $M_H$ を制約する際に、実験的、理論的、パrametric不確かさの相互作用を評価すること。

提案手法

• 電弱精度観測量に対するグローバルフィットを実施し、$\log M_H$ の関数としての $\Delta\chi^2$ を用いて信頼区間を導出する。
• 理論的不確かさは、高次の補正が欠落していることから推定され、保守的に $\delta M_W \approx 7$ MeV および $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$ と設定される。
• 将来の衝突型加速器の予測は、すべての加速器に対して一貫したモデル化により、精度の到達可能性を直接比較可能にする。
• $\Delta\alpha(M_Z)$、$m_t$、$\alpha_s(M_Z)$ からのパrametric不確かさを含め、将来の推定値では $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 7\times10^{-5}$ を仮定する。
• 理論的改善は、二ループ補正の不確かさの低減およびハドロン的真空極化推定値の改善としてモデル化される。
• 累積的な $M_H$ の不確かさは、実験的、理論的、パrametric誤差を平方和根で加算して計算される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電弱精度観測量を用いた間接的制約から導かれるヒッグスボソン質量 $M_H$ の現在の上限は何か？
• RQ2 $M_W$ および $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ における理論的不確かさが、$M_H$ の間接的決定にどのように影響を与えるか？
• RQ3 特にギgザZ能力を備えた線形衝突型加速器では、$M_H$ の精度はどの程度期待できるか？
• RQ4 $\Delta\alpha(M_Z)$ および $m_t$ からのパrametric不確かさが、$M_H$ の間接的決定の精度にどのように制限を及えるか？
• RQ5 将来の高精度実験において、理論的不確かさが実験誤差を上回らないようにするために必要な理論的改善は何か？

主な発見

• 電弱精度データのグローバルフィットから、現在の95%信頼水準におけるヒッグスボソン質量の上限は $M_H < 196$ GeV である。
• 高次の補正が欠落していることによる $M_W$ および $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ における理論的不確かさは、それぞれ $\delta M_W \approx 7$ MeV および $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$ と保守的に推定される。
• ギgザZ能力を備えた線形衝突型加速器では、理論的およびパrametric不確かさが改善されたと仮定した場合、$M_H$ 決定における相対精度が約8%に達すると予測される。
• $M_W$ よりも、$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ が等しい相対実験的精度のもとで $M_H$ に対してより高い感度を示す。$M_H \approx 115$ GeV では感度増幅要因が3.1に達する。
• 将来的な理論的精度の向上、特に完全な二ループ補正および $\Delta\alpha(M_Z)$ の不確かさ低減が、理論的不確かさがギgザZでの $M_H$ 決定精度を制限しないようにする上で不可欠である。
• $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 7\times10^{-5}$ および改善された $\alpha_s(M_Z)$ を仮定すると、$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ におけるパrametric不確かさは $2.5\times10^{-5}$ まで低減可能であり、これにより全体の $M_H$ 不確かさへの寄与が制限される。