[논문 리뷰] Snowmass White Paper: prospects for measurements of the bottom quark mass

Javier Aparisi, J. Fuster외 11명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 31.

Distributed and Parallel Computing Systems인용 수 4

한 줄 요약

이 스노마스 화이트 페이퍼는 향후 고에너지 충돌기, 특히 힉스 공장 전자-양전자 충돌기에서 힉스 보손 스케일($m_b(m_H)$)과 $Z$-보손 스케일($m_b(m_Z)$)에서 바텀 쿼크 질량의 정밀 측정이 가능해질 것으로 예측한다. 이는 10 MeV 이내의 정밀도를 달성하며, 양자 chromodynamics(QCD)가 예측한 바텀 쿼크 질량의 스케일 의존성(런닝)을 0.001% 이내 정밀도로 테스트할 수 있게 되어 전자약력 스케일 이하의 새로운 색 대칭 물리 현상에 대한 엄격한 제약 조건을 설정할 수 있다.

ABSTRACT

In this white paper for the Snowmass '21 community planning exercise we provide quantitative prospects for bottom quark mass measurements in high-energy collisions at future colliders that can provide a precise test of the scale evolution, or "running" of quark masses predicted by QCD.

연구 동기 및 목표

• 고에너지 스케일, 특히 힉스 보손과 $Z$-보손 질량에서 바텀 쿼크 질량 측정의 정밀도를 예측하는 것.
• 바텀 쿼크 질량의 스케일 진동(런닝)에 대한 QCD 예측을 $\overline{\mathrm{MS}}$ 체계에서 정량적으로 검증하는 것.
• 런닝 행동의 편차를 통해, 예를 들어 무거운 색 대칭 상태와 같은 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 평가하는 것.
• $m_b(m_H)$, $m_b(m_Z)$의 고정밀 측정과 향상된 $\alpha_s$ 결정을 조합하여 런닝 예측의 이론적 불확실성을 줄이는 것.
• 미래 충돌기 실험을 위한 로드맵을 수립하여 $m_b$에서 $m_H$까지의 바텀 쿼크 질량 진동을 몽골리에 수준의 정밀도로 매핑하는 것.

제안 방법

• 미래의 힉스 공장에서 $e^+e^-$ 충돌을 이용해 $H \to b\bar{b}$ 붕괴 폭을 $H \to ZZ^*$에 대해 정규화하여 $m_b(m_H)$를 추출한다. 고광도 데이터를 활용한다.
• $Z$-폴에서의 $e^+e^-$ 충돌에서의 삼중제트 비율 측정을 통해 $m_b(m_Z)$를 추출한다. 질량이 있는 쿼크 보정이 포함된 고차항 QCD 계산(NLO)을 적용한다.
• REvolver 소프트웨어를 이용한 오차수 레지오너멀라이제이션 그룹 진동(RGE) 계산을 통해 $m_b(m_b)$에서 $m_H$까지의 $m_b(\mu)$의 스케일 의존성을 예측한다.
• 0.5% 이내의 불확실성을 가진 향상된 $\alpha_s(m_Z)$ 결정을 통합하여 런닝 예측의 이론적 불확실성을 줄인다.
• 저에너지에서의 $m_b(m_b)$ 측정(바텀온륨 스펙트로스코피 및 격자 QCD를 통한)과 고에너지 스케일 측정을 조합하여 전체 런닝 곡선을 매핑한다.
• 다른 스케일에서 측정된 값 간의 일관성을 바탕으로 QCD의 쿼크 질량 런닝 예측에 대한 정밀도 테스트를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H \to b\bar{b}$ 붕괴 폭 측정을 통해 $\overline{\mathrm{MS}}$ 바텀 쿼크 질량의 스케일($m_b(m_H)$)에서 어떤 정밀도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 $\overline{\mathrm{MS}}$ 바텀 쿼크 질량이 $Z$-보손 스케일($m_b(m_Z)$)에서 충분한 정밀도로 측정되어 QCD 런닝을 테스트할 수 있는가?
• RQ3 $m_b(m_H)$와 $m_b(m_Z)$의 측정된 값이 다섯 번째 순서 QCD 예측에 따라 바텀 쿼크 질량의 런닝을 얼마나 정밀하게 테스트할 수 있는가?
• RQ4 $\alpha_s(m_Z)$와 $m_b(m_b)$의 불확실성은 $m_b$에서 $m_H$까지의 런닝 예측 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이러한 측정은 런닝 행동의 편차를 통해 전자약력 스케일 이하의 새로운 물리 현상(예: 무거운 색 대칭 상태)에 대해 어떤 민감도를 제공하는가?

주요 결과

• 예상되는 $m_b(m_H)$의 정밀도는 약 10 MeV에 도달할 것으로 예측되며, 저에너지 측정에서의 현재 $m_b(m_b)$ 정밀도와 일치한다.
• $Z$-폴에서의 삼중제트 비율 측정을 통한 $m_b(m_Z)$ 측정 정밀도는 약 100 MeV로 예측되며, 현재 세계 평균 불확실성과 일치한다.
• $m_b(m_H)$와 $m_b(m_Z)$ 측정의 조합을 통해 QCD가 예측한 바텀 쿼크 질량의 런닝을 상대 정밀도 수준에서 몽골리에 수준(수퍼퍼밀리어)으로 테스트할 수 있다.
• $\alpha_s(m_Z)$의 불확실성은 0.5% 이내로 줄어들 것으로 예측되어, 런닝 예측의 이론적 불확실성을 크게 감소시킨다.
• $m_H$와 $m_Z$에서의 예상 측정은 표준모형의 쿼크 질량 런닝 예측에 대해 강력한 테스트를 가능하게 하며, 전자약력 스케일 이하의 새로운 색 대칭 상태에 대한 민감도를 제공한다.
• 다른 스케일에서 측정된 값 간의 일관성과 RGE로 예측된 진동 간의 일치는 고정밀도에서 QCD의 정합성을 엄격하게 검증할 수 있다.