[논문 리뷰] Determination of the strong-coupling constant from the $Z$-boson transverse-momentum distribution

S. Camarda, Giancarlo Ferrera외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 91인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 양자 chromodynamics(QCD)의 섭동 이론에서 다음 이중 다음 다음 다음 주요 순서(N³LO)에 도달한 강한 결합 상수 αₛ(m_Z)의 첫 번째 결정을 제안한다. 이는 √s = 1.96 TeV에서의 양성자-반양성자 충돌에서 Z 보손의 낮은 횡방향 운동량 영역을 이용한 것이다. CDF 데이터와 이론 예측을 조합한 분석을 통해 αₛ(m_Z) = 0.1185⁺⁰.⁰⁰¹⁴₋₀.⁰⁰¹⁵를 도출하였으며, 상대 불확실도는 1.2%로, 현재까지 가장 정밀한 하드론 충돌기에서의 결정이다.

ABSTRACT

The strong-coupling constant is determined from the low-momentum region of the transverse-momentum distribution of $Z$ bosons produced through the Drell-Yan process, using predictions at third order in perturbative QCD. The analysis employs a measurement performed in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 1.96$ TeV with the CDF experiment. The determined value of the strong coupling at the reference scale corresponding to the $Z$-boson mass is $α_S(m_Z) = 0.1191^{+0.0013}_{-0.0016}$.

연구 동기 및 목표

• 표준 모형에서 가장 정밀도가 낮은 기본 결합 상수인 강한 결합 상수 αₛ(m_Z)의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 기존의 αₛ(m_Z) 결정 간의 괴리, 특히 격자 QCD와 깊은 비탄성 산란 결과 간의 괴리를 해결하기 위해.
• 이론적 불확실성이 최소화된 반포괄적 관측량인 Z 보손의 횡방향 운동량 분포(수도박 영역)를 이용해 새로운 고정밀도 결정을 제공하기 위해.
• 하드론 충돌기 데이터에서 N³LL+ N³LO 정확도의 재정렬된 QCD 예측을 사용해 정밀도 결합 상수 추출의 가능성을 입증하기 위해.
• 기존의 부분자 분포 함수(PDF) 피팅과의 상관관계를 피하기 위해, 이전에 글로벌 PDF 분 析에 포함되지 않은 비포괄적이고 낮은 pT 영역을 사용하기 위해.

제안 방법

• 분석은 CDF 실험에서 √s = 1.96 TeV에서의 양성자-반양성자 충돌에서 측정된 Z 보손의 횡방향 운동량 분포를 사용한다. 통합 루미너시는 2.1 fb⁻¹이다.
• 이론적 예측은 다음 이중 다음 다음 다음 로그( N³LL) 재정렬과 다음 이중 다음 다음 주요 순서(N³LO) 고정 순서 기여를 조합한 공개된 DYTurbo 프로그램을 통해 계산된다.
• 피팅은 낮은 pT 영역(pT < 30 GeV)에서 수행되며, 여기서 수드코프 피크가 지배적이며 αₛ에 대한 민감도가 최대화된다.
• 비추상적 효과는 형상 인자로 모델링되며, 불확실도는 스케일 변동과 PDF 세트의 앙상블을 통해 추정된다.
• 피팅에는 실험적, PDF, 이론적 불확실도가 포함되며, 다양한 피팅 범위와 PDF 체계에서의 안정성에 대한 추가 점검도 수행된다.
• D0 데이터를 사용한 일致성 검증이 수행되었으며, φ*η 변수에서 pT로 외삽하여 CDF 결과와 일致함을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 N³LO+ N³LL 재정렬된 QCD 예측을 사용해 하드론 충돌기에서 반포괄적 관측량을 통해 αₛ(m_Z)의 고정밀도 결정이 가능할 수 있는가?
• RQ2 Z 보손 pT 분포에서 도출된 αₛ(m_Z)의 불확실도는 다른 하드론 충돌기 결정들과 세계 평균과 비교하여 어떻게 되는가?
• RQ3 비추상적 효과에 민감한 영역에서 피팅 범위의 변화에 대해 결과가 얼마나 안정적인가?
• RQ4 기존의 PDF 피팅과의 상관관계 없이 낮은 pT Z 보손 횡방향 운동량 분포를 αₛ(m_Z)의 정밀도 도구로 사용할 수 있는가?
• RQ5 결정된 αₛ(m_Z)에 영향을 주는 고차항 QCD 보정의 누락이 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 결합 상수는 αₛ(m_Z) = 0.1185⁺⁰.⁰⁰¹⁴₋₀.⁰⁰¹⁵로 결정되었으며, 상대 불확실도는 1.2%로, 현재까지 가장 정밀한 하드론 충돌기에서의 결정이다.
• 통계적 불확실도는 ±0.0007, 실험적 시스템적 불확실도는 ±0.0001, PDF 불확실도는 ±0.0008이며, 고차항 보정 누락 기여는 ±0.0007⁺⁰.⁰⁰¹⁰₋₀.⁰⁰⁰⁴이다.
• 결과는 세계 평균 αₛ(m_Z) = 0.1179 ± 0.0009과 일치하며, 격자 QCD(0.1184 ± 0.0008)를 포함한 다른 고정밀도 결정과도 일치한다.
• 다양한 피팅 범위(예: pT < 20 GeV, pT < 40 GeV, pT > 4 GeV)에서의 안정성 테스트 결과, 최대 ±0.0002 이내의 산란을 보이며 피팅 영역 변화에 대한 강건성을 확인하였다.
• D0 데이터를 사용한 일치성 검증 결과, 전자 채널에서는 αₛ(m_Z) = 0.1184 ± 0.0013, 뮤온 채널에서는 0.1186 ± 0.0013을 도출하였으며, 불확실도 범위 내에서 CDF 결과와 일치하였다.
• 이 분석은 하드론-하드론 충돌에서 반포괄적 관측량에 N³LO+ N³LL 재정렬된 QCD 예측을 적용한 최초의 사례이며, 기존의 PDF 세트와의 상관관계를 피했다.