[논문 리뷰] Improved D0 W Boson Mass Determination

The D Collaboration, V. M. Abazov|arXiv (Cornell University)|2001. 06. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 전자 입자가 DØ 중심 칼로리메터 모듈의 가장자리 부근에서 발생하는 경우, 여기서 전자기 칼로리메터의 반응과 분辩도가 중심 영역과 다름을 고려하여 W 보손 질량의 개선된 측정을 제시한다. Z→ee 사건을 사용하여 이러한 가장자리 영역의 반응을 보정하고 기존 데이터와 조합함으로써 저자들은 체계적 오차를 감소시켰으며, 최종 결과로 $ m_W = 80.483 \pm 0.084 $ GeV를 도출하였다. 이는 이전 DØ 결과 대비 7 MeV 향상된 결과이다.

ABSTRACT

We present a measurement of the W boson mass in proton-antiproton collisions at \sqrt{s} = 1.8 TeV based on a data sample of 82 pb^-1 integrated luminosity collected by the D0 detector at the Fermilab Tevatron. We utilize e νevents in which the electron shower is close to the phi edge of one of the 32 modules in the D0 central calorimeter. The electromagnetic calorimenter response and resolution in this region differs from that in the rest of the module and electrons in this region were not previously utilized. We determine the calorimeter response and resolution in this region using Z -> ee events. We extract the W boson mass by fitting to the transverse mass and to the electron and neutrino transverse momentum distributions. The result is combined with previous D0 results to obtain an improved measurement of the W boson mass: m_W = 80.483 +- 0.084 GeV.

연구 동기 및 목표

• 이전에 비균일한 반응으로 인해 제외되었던 칼로리메터 모듈 가장자리 근처의 전자 사건을 활용하여 DØ W 보손 질량 측정의 체계적 오차를 감소시키는 것.
• Z→ee 사건을 사용하여 가장자리 영역의 전자기 칼로리메터 반응과 분辩도를 보정함으로써 정밀한 W 보손 질량 추출을 가능하게 하는 것.
• 공유된 체계적 오차 제약 조건을 활용하여 가장자리 영역 데이터를 이전 Run 1a 및 Run 1b 측정 결과와 조합함으로써 전체 W 보손 질량 오차를 향상시키는 것.
• 가장자리 및 끝부리 영역의 사건을 사용하여 중심 칼로리메터 에너지 스케일과 분辩도를 제약함으로써 외부 보정에 대한 의존도를 감소시키는 것.

제안 방법

• DØ 검출기에서 측정한 √s = 1.8 TeV에서의 82 pb⁻¹의 프로톤-양프로톤 충돌 데이터를 사용하였다.
• 가장자리 영역에서 전자 및 뉴트리노의 횡방향 질량(m_T)과 횡방향 운동량 분포를 피팅하여 W 보손 질량을 추출하였다.
• Z→ee 사건을 사용하여 가장자리 영역 칼로리메터 반응을 보정함으로써 에너지 스케일(α_edge)과 분辩도(c_edge)를 결정하였다.
• 가장자리 영역 W 질량 측정 결과를 이전의 Run 1a 및 Run 1b 결과와 조합하였으며, 체계적 오차의 상관관계를 고려했다.
• 중앙 및 끝부리 칼로리메터에서의 Z→ee 사건을 사용하여 중심 칼로리메터 에너지 스케일(α_CC)과 분辩도(c_CC)를 제약함으로써 전체 보정을 향상시켰다.
• 여러 데이터 서브세트에서 m_T, p_T^e, p_T^ν 분포를 동시에 피팅하여 최종 W 질량을 최소한의 오차로 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DØ 중심 칼로리메터 모듈의 가장자리 근처에서 발생하는 전자 사건은 비균일한 반응으로 인해 이전에 제외되었지만, 이들를 신뢰성 있게 활용하여 W 보손 질량 측정을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 Z→ee 사건을 사용하여 가장자리 영역의 전자기 칼로리메터 에너지 스케일과 분辩도를 정확히 결정할 수 있는가?
• RQ3 가장자리 영역 데이터를 포함함으로써 DØ W 보손 질량 측정의 전체 오차는 어느 정도 감소하는가?
• RQ4 다양한 데이터 서브세트에서 유래한 체계적 오차 간의 상관관계가 최종 조합된 W 질량 결과에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 최종 조합된 W 보손 질량 측정 결과는 $ m_W = 80.483 \pm 0.084 $ GeV이며, 이는 이전 DØ 결과 대비 정밀도가 7 MeV 향상된 결과이다.
• 가장자리 영역 전자 보정으로 인해 전자기 에너지 스케일(α_edge)의 오차가 268 MeV 감소하였으며, 이는 전체 향상의 주요 기여 요소이다.
• 중앙 칼로리메터 에너지 스케일은 C-C Z→ee 사건을 사용하여 $ \alpha_{CC} = 0.9552 \pm 0.0023 $로 제약되었으며, 이는 비가장자리 영역 전자의 보정을 향상시켰다.
• 가장자리 영역 데이터의 사용으로 추력 반응 및 분辩도 오차가 감소하였으며, 이는 전체 오차 감소의 20–46 MeV를 기여하였다.
• 최종 오차는 주로 가장자리 영역 에너지 스케일(268 MeV), 분辩도(268 MeV), 전자 각도 보정(38–52 MeV)에 의해 지배된다.
• 최종 결과는 Run 1a 및 Run 1b에서의 12개의 독립적 측정을 포함하며, 체계적 오차는 완전히 상관관계가 있으며 전파되었다.