[논문 리뷰] Measurement of the effective leptonic weak mixing angle

LHCb Collaboration, Aaij, R.외 1148명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2016년에서 2018년 사이에 LHCb 실험에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 5.4 fb⁻¹를 사용하여 효과적 렙톤성 약한 혼합 각도 sin²θₑff의 정밀 측정을 제시한다. 10개의 밴드로 나누어진 μ⁺μ⁻ 붕괴에서의 전방-후방 비대칭도를 측정하고, 다음 준순서론 예측과 비교함으로써, 연구는 sin²θₑff = 0.23147 ± 0.00044 (통계) ± 0.00005 (계측) ± 0.00023 (이론)를 보고한다. 이는 이전 LHCb 결과의 정밀도를 두 배 이상 향상시키며, 글로벌 전자약력적 피팅과의 일관성을 확인한다.

ABSTRACT

Using $pp$ collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, recorded by the LHCb experiment between 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of $5.4$ fb$^{-1}$, the forward-backward asymmetry in the $pp o Z/γ^{*} o μ^+μ^-$ process is measured. The measurement is carried out in ten intervals of the difference between the muon pseudorapidities, within a fiducial region covering dimuon masses between $66$ and $116$ GeV, muon pseudorapidities between $2.0$ and $4.5$ and muon transverse momenta above $20$ GeV. These forward-backward asymmetries are compared with predictions, at next-to-leading order in the strong and electroweak couplings. The measured effective leptonic weak mixing angle is $\sin^2θ_{ m eff}^\ell = 0.23147 \pm 0.00044 \pm 0.00005 \pm 0.00023$, where the first uncertainty is statistical, the second arises from systematic uncertainties associated with the asymmetry measurement, and the third arises from uncertainties in the fit model used to extract $\sin^2θ_{ m eff}^\ell$ from the asymmetry measurement. This result is based on an arithmetic average of results using the CT18, MSHT20, and NNPDF31 parameterisations of the proton internal structure, and is consistent with previous measurements and with predictions from the global electroweak fit.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 LHCb 실험의 데이터를 사용하여 sin²θₑff의 정밀도를 향상시켜 효과적 렙톤성 약한 혼합 각도를 측정하는 것.
• LHCb 검출기의 전방 영역 커버리지와 높은 각도 해상도를 활용하여 하드론 충돌 측정에서의 이론적 불확실성을 줄이는 것.
• 측정된 sin²θₑff가 글로벌 전자약력 피팅과 이전의 고정밀 측정 결과와 일관된지 테스트하는 것.
• 모델에 종속되지 않도록 피드유역 영역과 |Δη|에 따른 분할을 통해 양성자 파트론 분포 함수(PDFs)에 대한 민감도를 최소화하는 것.

제안 방법

• 전방-후방 비대칭도 AFB는 뮤온의 위상속도 차이 |Δη|의 10개 밴드에서 측정되어, 약한 혼합 각도에 가장 민감한 사건을 분리한다.
• Collins–Soper 기준좌표계를 사용하여 cos θ*를 계산하며, 여기서 θ*는 이론입자 시스템의 극각이다. 이는 차수에 따라 sin²θₑff에 의존하는 미분 단면적의 선형 항을 추출하는 데 기여한다.
• 검출기 효과 및 효율 보정을 이벤트 수 N(η⁻ > η⁺)과 N(η⁻ < η⁺)에 적용하며, 이는 식 (5)에 의해 AFB를 정의한다.
• 비대칭도 측정 결과를 다음 준순서론(QCD 및 전자약력) 예측과 비교하여 sin²θₑff를 추출한다.
• 계측 불확실성은 여러 PDF 세트(CT18, MSHT20, NNPDF3.1)를 사용하여 평가되며, 결과는 모델 의존성을 줄이기 위해 평균화된다.
• 운동량 캘리브레이션은 Z → μ⁺μ⁻ 사건을 이용해 검증되며, 물질 예산, PDFs, 운동량 스메어링의 기능 형태에 대한 변형을 검토하여 결과의 강건성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이론적 불확실성이 감소된 상태에서 LHC에서 Z → μ⁺μ⁻ 붕괴를 이용한 sin²θₑff의 가장 정밀한 측정치는 무엇인가?
• RQ2 |Δη|에 따라 전방-후방 비대칭도를 분할하면, 비분할 분석 대비 약한 혼합 각도에 대한 민감도가 어떻게 향상되는가?
• RQ3 측정된 sin²θₑff는 글로벌 전자약력 피팅과 이전의 고정밀 실험 결과와 어느 정도 일관되는가?
• RQ4 양성자 PDF 불확실성은 최종 sin²θₑff 결정에 어떤 영향을 미치며, LHCb 분석에서는 어떻게 이를 최소화하는가?

주요 결과

• 효과적 렙톤성 약한 혼합 각도의 측정값은 sin²θₑff = 0.23147 ± 0.00044 (통계) ± 0.00005 (계측) ± 0.00023 (이론)이며, 이는 이전 LHCb 결과 대비 정밀도가 두 배 이상 향상된 것이다.
• 결과는 세계 평균값과 글로벌 전자약력 피팅 예측과 일치하며, 유의미한 불일치가 관측되지 않았다.
• |Δη|에 따라 비대칭도를 분할하면, 고-|cos θ*| 사건에 대한 민감도 향상으로 인해 비분할 분석 대비 sin²θₑff에 대한 민감도가 14% 향상된다.
• PDF 세트(CT18, MSHT20, NNPDF3.1)의 변형에 대해 분석이 강건하며, 최종 결과는 세 가지의 산술 평균에 기반하여 모델 의존성을 최소화한다.
• 운동량 캘리브레이션, 물질 예산, PDF 매개변수화에 기인한 계측 불확실성은 최종 불확실성에 거의 기여하지 않으며, 모든 경우에서 sin²θₑff의 변화가 1×10⁻⁵ 이하이다.
• Z → μ⁺μ⁻ 붕괴를 피드유역 영역(66 < mμμ < 116 GeV, 2.0 < ημ < 4.5, pT,μ > 20 GeV)에서 사용함으로써 고순도와 뛰어난 각도 해상도를 확보하여, 비대칭도 추출에 필수적인 조건을 만족시킨다.