[논문 리뷰] Present and Future Electroweak Precision Measurements and the Indirect Determination of the Mass of the Higgs Boson

U. Baur, Clare, R.외 17명|arXiv (Cornell University)|2002. 02. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 19인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 정밀 전자약 관측량인 $M_W$, $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$, 및 $m_t$를 이용한 힉스 보손 질량 ($M_H$) 의 간접적 결정을 평가한다. 현재 및 향후 실험적 불확실성과 고차항 보정의 이론적 추정치를 조합하여, 향후 LHC 및 LC/GigaZ와 같은 충돌기에서 $M_H$ 의 상대 정밀도가 8% 이내로 향상될 것으로 예측하며, 실험 정밀도가 향상됨에 따라 이론적 및 매개변수 불확실성이 주요한 영향을 미치게 된다.

ABSTRACT

We discuss the experimental and theoretical uncertainties on precision electroweak observables and their relationship to the indirect constraints on the Higgs-boson mass, $\MH$, in the Standard Model (SM). The critical experimental measurements ($\MW$, $\sweff$, $\mt$, ...) are evaluated in terms of their present uncertainties and their prospects for improved precision at future colliders, and their contribution to the constraints on $\MH$. In addition, the current uncertainties of the theoretical predictions for $\MW$ and $\sweff$ due to missing higher order corrections are estimated and expectations and necessary theoretical improvements for future colliders are explored. The constraints from rare B decays are also discussed. Analysis of the present experimental and theoretical precisions yield a current upper bound on $\MH$ of $\sim 200$ GeV. Including anticipated improvements corresponding to the prospective situation at future colliders (Tevatron Run II, LHC, LC/GigaZ), we find a relative precision of about 25% to 8% (or better) is achievable in the indirect determination of $\MH$.

연구 동기 및 목표

• 핵심 전자약 정밀 관측량인 $M_W$, $\sin^2\theta_{\text{eff}}$, $m_t$ 의 현재 및 향후 실험적 및 이론적 불확실성을 $M_H$ 를 제약하는 데 평가하는 것.
• 결측된 고차항 보정이 $M_W$ 및 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 의 이론적 예측에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 향후 충돌기인 테바트론 런 II, LHC, LC/GigaZ 에서의 간접적 $M_H$ 결정 정밀도를 예측하는 것.
• 매개변수적 및 내재 불확실성을 줄이기 위해 필요한 핵심 이론적 및 실험적 향상 사항을 규명하는 것.
• 희귀 B 붕괴에서의 제약 조건과 그것이 $M_H$ 의 전반적 피팅에서 차지하는 역할을 검토하는 것.

제안 방법

• 표준모형 내에서 전자약 정밀 관측량의 전반적 피팅을 통해 $M_H$ 를 제약하는 방법으로, 주로 $M_W$, $\sin^2\theta_{\text{eff}}$, $m_t$ 에 초점을 맞춘다.
• 결측된 이중순서 보정과 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 의 불확실성으로 인한 $M_W$ 및 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 의 이론적 불확실성을 추정한다.
• 향후 실험적 불확실성을 테바트론 런 II, LHC, LC/GigaZ 의 예상 데이터를 바탕으로 예측하며, $M_W$, $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$, $m_t$ 의 향상된 측정을 가정한다.
• $\Delta\alpha(M_Z)$ 와 $\alpha_s(M_Z)$ 의 매개변수 불확실성을 평가하며, $\sqrt{s} \leq 5$ GeV 이하의 낮은 에너지에서의 강입자 단면적 측정 향상 필요성을 요구한다.
• 실험적, 이론적, 매개변수적 불확실성을 제곱근의 합으로 조합하여 $M_H$ 의 누적 정밀도를 추정한다.
• $\alpha_s(M_Z)$ 와 $\Delta\alpha(M_Z)$ 가 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 와 $M_W$ 의 정밀도를 제한하는 방식을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 전자약 정밀 측정 데이터를 바탕으로 힉스 보손 질량의 상한은 얼마인가?
• RQ2 실험적 및 이론적 불확실성이 $M_W$ 와 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 에 영향을 미치며, 간접적 $M_H$ 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 향후 LHC 및 LC/GigaZ 와 같은 충돌기에서, 향상된 측정과 이론적 제어를 고려할 때 $M_H$ 의 정밀도는 어느 정도 향상될 수 있는가?
• RQ4 미래 실험 정밀도에 맞추기 위해 $M_W$ 와 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 의 내재 불확실성을 줄이기 위해 필요한 이론적 향상은 무엇인가?
• RQ5 $\Delta\alpha(M_Z)$ 와 $\alpha_s(M_Z)$ 의 불확실성이 전반적 피팅에서 $M_H$ 정밀도를 어떻게 제한하는가?

주요 결과

• 현재까지의 실험적 및 이론적 정밀도를 바탕으로 힉스 보손 질량의 상한은 약 200 GeV이다.
• 테바트론 런 II 종료 시점에 $M_H$ 의 상대 정밀도는 약 25%로 향상되며, LHC 이후에는 18%로 향상되고, LC/GigaZ 이후에는 8%로 향상된다.
• 완전한 이중순서 보정과 입력 매개변수의 불확실성 감소를 가정할 경우, $M_W$ 와 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 의 이론적 불확실성은 각각 3 MeV 및 $1.7 \times 10^{-5}$ 로 추정된다.
• GigaZ 에서 $M_H$ 의 정밀도를 8%로 달성하기 위해서는 $\Delta\alpha(M_Z)$ 의 불확실성을 $7 \times 10^{-5}$ 로 줄여야 하며, 이는 저에너지 강입자 단면적 측정 향상 필요성을 의미한다.
• $\delta\alpha_s(M_Z) = \pm 0.0010$ 과 $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 5 \times 10^{-5}$ 일 경우, GigaZ 에서의 $M_H$ 정밀도는 7%로 향상될 수 있다.
• $M_Z$ 의 실험적 불확실성 ($\delta M_Z = 2.1$ MeV) 이 $ \sin^2\theta_{\text{eff}}$ 정밀도의 제한 요소가 되며, 이로 인한 기여는 $1.4 \times 10^{-5}$ 이며, 향후 근본적인 향상은 기대하기 어렵다.