[논문 리뷰] Forward-backward $b$-quark asymmetry at the Z pole: QCD uncertainties redux

D. d’Enterria, Cynthia Yan|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 31.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 최신 파트론 셔플 시뮬레이션(pythia 8 및 pythia 8+Vincia)을 재활용하여 Z 보존에서 측정된 전방-후방 $b$-쿼크 비대칭성의 QCD 불확도를 재평가한다. 최신 튜닝과 하드론화 모델을 적용한 결과, QCD 체계적 불확도는 약간 감소했지만 원래 추정치와 완전히 일치하며, 이로 인해 재조정된 $A_{\text{FB}}^{0,b} = 0.0996 \pm 0.0016$를 도출하였고, 이는 표준모형 예측과의 2.8$\sigma$ 이격을 유지한다.

ABSTRACT

The forward-backward asymmetry of $b$-quarks measured at LEP in $e^+e^-$ collisions at the Z pole, $A_{FB}^{0,b}|^{ m exp} = 0.0992\pm0.0016$, remains today the electroweak precision observable with the largest disagreement (2.8$σ$) with the Standard Model theoretical prediction, $A_{FB}^{0,b}|^{ m th} = 0.1037\pm0.0008$. The dominant systematic uncertainties are due to QCD effects --- $b,c$-quark showering and fragmentation, and $B,D$ meson decay models --- which have not been revisited in the last 20 years. We reassess the QCD uncertainties of the eight original LEP measurements of $A_{FB}^{0,b}$, using modern parton shower simulations based on PYTHIA-8 and PYTHIA-8 plus VINCIA with different tunes of soft and collinear radiation as well as of hadronization. Our analysis indicates QCD uncertainties, of order $\pm$0.4\% and $\pm$1\% for the jet-charge and lepton-charge based analyses, that are overall slightly smaller but still consistent with the original ones. Using the updated QCD systematic uncertainties, we obtain $A_{FB}^{0,b} = 0.0996\pm0.0016$.

연구 동기 및 목표

• 현대 몬테카를로 이벤트 생성기들을 사용하여 LEP에서의 $b$-쿼크 전방-후방 비대칭성 측정치에 대한 QCD 체계적 불확도를 재표현하기 위해.
• 오랜 기간 동안 지속된 측정된 $A_{\text{FB}}^{0,b}$와 표준모형 예측 사이의 2.8$\sigma$ 이격이 QCD 효과가 과소평가되었기 때문일 수 있는지 평가하기 위해.
• 20년 이상 재검토되지 않은 원래 LEP 분석에서의 QCD 불확도를 최신 파트론 셔플 및 하드론화 모델을 사용하여 업데이트하기 위해.
• 모든 측정치 간 상관관계를 유지하면서 업데이트된 QCD 체계적 오차를 반영하여 세계 평균 $A_{\text{FB}}^{0,b}$를 재계산하여 관측된 이격에 미치는 영향을 테스트하기 위해.

제안 방법

• pythia 8.226를 사용하여 $\sqrt{s} = 92.4$ GeV에서 $e^+e^- \to Z \to b\bar{b}$ 이벤트를 시뮬레이션하고, 파트론 셔플링 및 하드론화에 대해 일곱 가지 다른 튜닝을 적용하였다.
• pythia 8.210와 Vincia 1.1 및 2.2를 조합하여 두 가지의 대안적 딜레인 앤티나 셔플링 방법을 사용하였으며, 불확도 추정을 위해 12종의 파rameter 변형을 적용하였다.
• 최종 상태 입자들로부터의 JADE 클러스터링과 스러스트 축을 사용하여, $B,D \to \ell$ 붕괴에서 유도된 렙톤 전하를 통해 $b$-쿼크 전하를 재구성하였다.
• 스러스트 축을 기준으로 한 $b$-쿼크의 각도 분포를 피팅하여 $A_{\text{FB}}^{\text{obs},b}$를 추출하였으며, $B^0\bar{B}^0$ 혼합과 스러스트 축의 기울임을 보정하였다.
• 9종의 다른 QCD 모델링에 따른 시뮬레이션 비대칭성을 비교하여, 예측치의 표준편차로 QCD 체계적 불확도를 추정하였다.
• 모든 측정치 간 상관관계를 유지하면서 업데이트된 QCD 불확도를 반영하여 세계 평균 $A_{\text{FB}}^{0,b}$를 재계산하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최신 QCD 시뮬레이션을 고려할 때, LEP에서의 $b$-쿼크 전방-후방 비대칭성 측정치에 대한 원래의 QCD 체계적 불확도 추정치가 여전히 유효한가?
• RQ2 측정된 $A_{\text{FB}}^{0,b}$와 표준모형 예측 사이의 2.8$\sigma$ 이격이 QCD 효과가 과소평가되었기 때문일 수 있는가?
• RQ3 최신 파트론 셔플 및 하드론화 모델은 $e^+e^- \to b\bar{b}$ 이벤트에서 $A_{\text{FB}}^{0,b}$ 추출에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 현재 이벤트 생성기 튜닝을 사용하여 QCD 불확도를 재평가할 경우, $A_{\text{FB}}^{0,b}$의 업데이트된 세계 평균 값은 얼마인가?

주요 결과

• 레프톤 전하 기반 분석의 QCD 체계적 불확도는 $\pm 0.4\%$로 추정되었으며, 원래의 $\pm 0.6\%$에서 $\pm 1.5\%$의 범위보다 약간 작다.
• 제트 전하 기반 분석의 QCD 체계적 불확도는 $\pm 1\%$로 추정되었으며, 원래의 $\pm 0.5\%$에서 $\pm 4.1\%$의 범위보다 약간 작다.
• 업데이트된 QCD 불확도는 원래 추정치와 완전히 일치하며, 체계적 오차 예산에 큰 변화가 없음을 시사한다.
• 재조정된 세계 평균 $A_{\text{FB}}^{0,b}$는 $0.0996 \pm 0.0016$로, 현재 세계 평균과 거의 동일하며 유의미성은 그대로 유지된다.
• QCD 효과를 재평가한 후에도 표준모형 예측과의 2.8$\sigma$ 이격은 그대로 유지된다.
• 최신 pythia 8 및 Vincia 시뮬레이션을 사용하여 최신 튜닝과 하드론화 모델을 적용하더라도, 표준모형 예측과의 긴장은 해결되지 않는다.