[논문 리뷰] Precision Measurements of Electroweak Parameters with Z Bosons at the Tevatron

A. Bodek|arXiv (Cornell University)|2015. 12. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 테바트론에서 양성자-양성자 충돌에서의 이론전자 이벤트를 이용해 효과적인 전자약한 혼합 각도 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 의 정밀 측정과 W 보손 질량의 간접 결정을 제시한다. CDF 및 D0 협력은 고도의 캘리브레이션, 이벤트 가중치화 및 PDF 제약 기법을 적용하여 부등확도를 0.0005 이하로 낮추었으며, 결과적으로 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23222 \pm 0.00046$ (CDF) 및 $0.23146 \pm 0.00047$ (D0) 를 도출하였고, 간접적으로 $M_W = 80.327 \pm 0.023$ GeV 를 얻었다. 이는 표준모형과 일치하지만, 직접 측정된 $M_W$ 와의 지속적인 불일치를 드러낸다.

ABSTRACT

We report on the extraction of $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z)$ and an indirect measurement of the mass of the W boson from the forward-backward asymmetry of dilepton events in the $Z$ boson mass region at the Tevatron. The data samples of $e^+e^-$ and $\\mu^+\\mu^-$ events collected by the CDF detector correspond to the full 9.4 fb$^{-1}$ run II sample and yield an effective electroweak mixing angle $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z) = 0.23222 \\pm 0.00046$. The corresponding result reported by the D0 collaboration with the full 9.4 fb$^{-1}$ $e^+e-$ sample is $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z) = 0.23146 \\pm 0.00047$. The CDF collaboration also extracts the on-shell electroweak mixing angle $ \\sin^2 \ heta_W = 0.22401 \\pm 0.00044$ which corresponds to an indirect measurement of the W boson mass $M_W ({\ m indirect}) = 80.327 \\pm 0.023 \\;{\ m GeV}$. The quoted uncertainties include both statistical and systematic contributions.

연구 동기 및 목표

• LEP-1과 SLD의 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 측정치 사이의 3.2σ 불일치를 해결하기 위해 테바트론에서 새로운 경쟁력 있는 측정을 수행하기 위해.
• Z 보손의 질량 영역 근처에서의 이론전자 이벤트에서의 전방-후방 비대칭도를 이용해 간접 W 보손 질량 측정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 고도의 캘리브레이션, 이벤트 가중치화 및 PDF 제약 기법을 도입하여 전자약한 매개변수 추출의 체계적 불확도를 감소시키기 위해.
• 기존 힉스 보손 질량을 고려하여 간접 $M_W$ 예측치와 직접 측정치를 비교함으로써 표준모형의 일관성을 시험하기 위해.
• A_{\rm fb}-제약을 받는 PDF 복제본을 사용하여 $\sin^2\theta_{W}$ 를 강력하고 PDF 불확도를 억제된 측정으로 제공하기 위해.

제안 방법

• 이온의 운동량 및 전하에 따라 변화하는, 미세한 피조속도 $\eta$, 자세각 $\phi$ 를 고려한 새로운 검출기 에너지 스케일 캘리브레이션 기법을 도입하여 체계적 불확도를 감소시켰다.
• 수용도 및 효율 불확도를 상쇄하기 위해 $\cos\theta$ 계수 $A_4$ 를 측정하는 이벤트 가중치화 방법을 사용하였으며, 반입자 희석 효과를 고려한 추가 가중치를 적용하여 속도 의존성을 제거하였다.
• POWHEG 및 RESBOS 시뮬레이션에 Z 피터링 효과적 보어 근사(EBA) 전자약한 반사(corrected) 보정을 구현하여 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 와 $\sin^2\theta_W = 1 - M_W^2/M_Z^2$ 를 동시에 추출할 수 있도록 하였다.
• nnpdf3.0 nnlo PDF 복제본에 대해 $\chi^2$-가중치 기법을 적용하여, $A_{\rm fb}(M)$ 데이터와 일치하지 않는 복제본을 저감시킴으로써 $\sin^2\theta_W$ 의 PDF 불확도를 20% 감소시켰다.
• 이론전자 이벤트에서 Z 보손 질량 영역의 전방-후방 비대칭도 $A_{\rm fb}(M)$ 를 추출하였으며, $A_{\rm fb} = 3A_4/8$ 이며, 이는 $\sin^2\theta_{W}$ 를 제약하기 위해 사용되었다.
• 분석은 CDF 및 D0의 전체 9.4 fb$^{-1}$ 테바트론 런 II 데이터 샘플을 사용하였으며, 통합 통계적 및 체계적 불확도를 포함하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론은 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 에 대해 0.0005 이하의 정밀도를 확보하여 LEP-1과 SLD 측정치 사이의 불일치를 해결할 수 있는가?
• RQ2 A_{\rm fb}-제약을 받는 PDF 복제본은 $\sin^2\theta_W$ 와 $M_W$ 에서 PDF 관련 불확도를 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 Higgs 보손 질량 $M_H = 125.6$ GeV 를 고려할 때, 이론전자 비대칭도에서 유도된 간접 $M_W$ 측정치는 직접 $M_W$ 측정치와 표준모형 예측치와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고도의 캘리브레이션 및 가중치화 기법은 SLD 및 LEP-1 실험 수준의 체계적 불확도를 억제할 수 있는가?
• RQ5 LHC 실험에서 최신 $M_t$ 값과 함께 테바트론의 $M_W^{\rm indirect}$ 를 조합하면 표준모형 예측치와의 불일치가 증가하는가?

주요 결과

• CDF 협력은 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23222 \pm 0.00046$ 를 측정하였으며, 이는 통계적 및 체계적 기여를 모두 포함한 불확도를 포함한다.
• D0 협력은 전체 9.4 fb$^{-1}$ $e^+e^-$ 샘플을 사용하여 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23146 \pm 0.00047$ 를 측정하였다.
• CDF 협력은 온셸프 $\sin^2\theta_W = 0.22401 \pm 0.00044$ 를 추출하였으며, 이는 간접적으로 $M_W = 80.327 \pm 0.023$ GeV 에 해당한다.
• $\chi^2$-가중치 기법은 표준 PDF 세트 대비 $\sin^2\theta_W$ 의 PDF 불확도를 20% 감소시켰다.
• 간접 $M_W$ 측정치는 표준모형 예측치 $M_W \approx 80.327$ GeV 와 일치하지만, 세계 평균 $M_t$ 와 조합할 경우 표준모형 예측치보다 1.5σ 높은 위치에 있다.
• 결과는 2015년 CMS의 $M_t$ 측정치와 이전 테바트론의 $M_t$ 값 사이에 2σ 의 불일치를 보이며, 만약 확인된다면 $M_W$ 에서의 격차를 더욱 증가시킬 것이다.