[論文レビュー] Understanding PDF uncertainty on the $W$ boson mass measurements in CT18 global analysis

J. Gao, DianYu Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CDFおよびATLASの$W$ボソン質量測定における横方向質量分布に及ぼす一部子分布関数（PDFs）の影響を調査し、異なるPDFセット間のばらつきが個々のPDF不確実性を上回ることを発見した。CT18グローバル解析におけるラグランジュ乗数スキャンを用いて、$d$-クォークPDFが中間$x$において、ディル・ヤンおよび深エネルギーシュレック散乱（DIS）データによって制約を受けることから、$W$ボソン質量抽出に最も感受しやすいことが特定された。これは、高精度測定における理論的不確実性を低減するため、最新のPDFが不可欠であることを示唆している。

ABSTRACT

We study the dependence of the transverse mass distribution of the charged lepton and the missing energies on the parton distributions (PDFs) adapted to the $W$ boson mass measurements at the CDF and ATLAS experiments. We compare the shape variations of the distribution induced by different PDFs and find that spread of predictions from different PDF sets can be much larger than the PDF uncertainty predicted by a specific PDF set. We suggest analyzing the experimental data using up-to-date PDFs for a better understanding of the PDF uncertainties in the $W$ boson mass measurements. We further carry out a series of Lagrange multiplier scans to identify the constraints on the transverse mass distribution imposed by individual data sets in the CT18 global analysis. In the case of CDF measurement, the distribution is mostly sensitive to the $d$-quark PDFs at the intermediate $x$ region that is largely constrained by the DIS and Drell-Yan data on the deuteron target, as well as the Tevatron lepton charge asymmetry data.

研究の動機と目的

• 部分子分布関数（PDFs）が横方向質量分布に与える影響、特にその分布に及ぼす感度を評価すること。
• 個々のPDFセットが報告するPDF不確実性と、複数のPDFセット間での実際のばらつきとの差を定量化すること。
• CT18グローバル解析において、$W$ボソン質量抽出に影響を与えるPDFを最も強く制約する実験的データセットを同定すること。
• CDF測定の文脈において、因子化スケールや摂動スケール、強い結合定数$\alpha_s$、$W$ボソン幅などの理論的不確実性の役割を評価すること。

提案手法

• CDFおよびATLASの$W$ボソン質量測定の文脈において、現代の複数のPDFセット（CT18, MSHT20, NNPDF3.1, NNPDF4.0）の横方向質量分布を比較すること。
• CT18グローバルPDFフィットにおけるラグランジュ乗数スキャンを実施し、個々のデータセットが横方向質量分布に与える制約を分離すること。
• 一次近似および次次近似のPDFを用いて、$W$ボソンの急速度および横方向運動量分布を分析し、PDFに起因する形状変化を追跡すること。
• $χ^2$フィットを用いて、平均横方向質量と抽出された$W$ボソン質量との反比例関係を検証すること。
• CDFの文脈において、因子化スケールおよび重ね合わせスケール、強い結合定数$\alpha_s$、$W$ボソン崩壊幅からの理論的不確実性を評価すること。
• レプトン受容率カットを適用し、PDFセット間で比較することで、運動量分布におけるPDF駆動のシフトを分離すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異なるPDFセットは、CDFおよびATLAS測定における$W$ボソン崩壊生成物の横方向質量分布にどのように影響を及ぼすか？
• RQ2 複数のPDFセット間での予測のばらつきは、任意の1つのPDFセットが報告する不確実性をどの程度上回るか？
• RQ3 CT18グローバル解析において、$W$ボソン質量抽出に影響を与えるPDFを最も強く制約する実験的データセットは何か？
• RQ4 CDF測定の文脈において、$\alpha_s$、スケール依存性、$W$ボソン幅といった理論的不確実性は、実験的不確実性やPDF不確実性と比べてどの程度の大きさか？
• RQ5 中間$x$における$d$-クォークPDFは、$W$ボソンの急速度および横方向質量分布をどのように形作っているか？

主な発見

• CT18, MSHT20, NNPDF3.1, NNPDF4.0といった異なるPDFセット間での$W$ボソン質量予測のばらつきは、任意の1つのPDFセットが報告するPDF不確実性をはるかに上回っており、PDF関連の理論的不確実性が低く見積もられている可能性を示唆している。
• 陽性レプトンと運動量欠損の平均横方向質量は、抽出された$W$ボソン質量と強く反比例しており、$χ^2$フィットおよび実験的質量シフトとの直接比較によって裏付けられた。
• CDF測定において、横方向質量分布は中間$x$における$d$-クォークPDFに最も感受しやすく、主にデュテロン標的に基づくディル・ヤンおよび深エネルギーシュレック散乱（DIS）データ、およびテバトロンのレプトン電荷非対称性データによって制約されている。
• ATLAS測定においては、HERAの包含的DISデータ、E866のディル・ヤン比データ、およびCMSのレプトン電荷非対称性データがPDFの制約に最も強く寄与している。
• $W$ボソン崩壊幅の効果は、CDF測定における全実験的不確実性と同等の大きさの理論的不確実性をもたらし、無視できないことが示された。
• NNPDF4.0は、以前のバージョンと比較して、大きな$x$における$d$-クォークPDFを抑制しており、これは反ブースト領域（$y_{b} > 0$）における平均横方向運動量および横方向質量の低減を引き起こし、$W$ボソン質量抽出に影響を与えている。