[논문 리뷰] Strategies for precision measurements of the charge asymmetry of the W boson mass at the LHC within the ATLAS experiment

F. Fayette|ArXiv.org|2009. 06. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 박사학위 논문은 LHC의 ATLAS 실험을 통해 W 보손 질량의 전하 비대칭성($M_{W^+} - M_{W^-}$)을 정밀 측정하기 위한 새로운 전략을 제안한다. 새로운 관측량을 도입하고 트래커 구성 및 LHC 운용 모드를 최적화함으로써 체계적 오차를 감소시켜, 기존 테바트론 기반 기법 대비 정밀도를 20배 향상시키는 데 성공했다.

ABSTRACT

This thesis dissertation presents a prospect for a measurement of the charge asymmetry of the W boson mass (MW+ - MW-) at the LHC within the ATLAS experiment. This measurement is of primordial importance for the LHC experimental program, both as a direct test of the charge sign independent coupling of the W bosons to the fermions and as a mandatory preliminary step towards the precision measurement of the charge averaged W boson mass. This last pragmatic point can be understood since the LHC specific collisions will provide unprecedented kinematics for the positive and negative channels while the SPS and Tevatron collider produced W+ and W- on the same footing. For that reason, the study of the asymmetries between W+ and W- in Drell--Yan like processes (production of single W decaying into leptons), studied to extract the properties of the W boson, is described thoroughly in this document. Then, the prospect for a measurement of MW+ - MW- at the LHC is addressed in a perspective intending to decrease as much as possible the systematic errors that will inevitably comes from the misunderstanding of both phenomenological and apparatus modeling. For that matter strategies have been devised specifically for the present measurement to display robustness with respect to the main uncertainties. These strategies consist of introducing new observables along with considering specific LHC running modes and configurations of the ATLAS tracker. Eventually we show that the present (2009) precision can be improved at the LHC by a factor of 20 and argue that such a precision is beyond the reach of the standard measurement and calibration methods imported to the LHC from the Tevatron program.

연구 동기 및 목표

• 표준모형의 W 보손- fermion 상호작용에서 전하 부호에 독립적인 결합을 검증하는 데 핵심적인 시험인 LHC에서 W 보손 질량의 전하 비대칭성($M_{W^+} - M_{W^-}$)을 정밀 측정할 수 있도록 하는 것.
• W 보손 붕괴에서 탐지기 반응 및 파arton 샤워링 모델링의 부정확성으로 인한 체계적 오차 문제를 다루는 것.
• 일관된 및 비일관된 에너지 스케일 편향, 해상도 영향 및 파톤의 횡방향 운동량($k_T$) 모델링에 강건한 분석 전략을 개발하는 것.
• LHC 수준의 요구사항을 충족시키기에 부족한 기존 테바트론에서 유래한 방법의 정밀도를 초월하는 것.
• 먼저 높은 정확도로 전하 비대칭성을 측정함으로써 향후 평균 W 보손 질량의 정밀 측정을 위한 기초를 마련하는 것.

제안 방법

• W$^+ \to \ell^+ \nu$ 및 W$^- \to \ell^- \bar{\nu}$ 붕괴에서 유도된 레프톤의 횡운동량($p_{T,l}$) 스펙트럼에 기반한 전하 비대칭 방법을 도입한다.
• WINHAC, Pythia, PHOTOS를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션으로 생성된 질량 템플릿을 활용해 $W^+$ 및 $W^-$의 인variant 질량 분포를 모델링하는 최대우도 분석을 수행한다.
• 일관된 및 비일관된 에너지 스케일 이격($\varepsilon_l = \pm 0.05\%$에서 $0.5\%$까지 제어된)을 가진 허위 데이터를 사용하여, 비대칭성 방법의 강건성을 평가한다.
• 비대칭성 감도 향상과 모델 의존성 감소를 위해 $p_{T,l}$ 및 빠르기($y_W$) 분포를 조합한 이중 전하 비대칭 방법을 적용한다.
• 빈도수 분포의 $\chi^2$ 최소화를 통해 $p_{T,l}$ 및 전하 비대칭성에 기반해 $M_{W^+} - M_{W^-}$를 최소한의 편향으로 추출한다.
• 다양한 파톤 $k_T$ 분포 및 수용 범위 컷 조건 하에서 방법의 안정성과 QCD 효과에 대한 민감도를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 W-보손-페르미온 결합의 전하 부호 독립성 검증을 위해 충분한 정밀도로 W 보손 질량의 전하 비대칭성을 측정할 수 있는가?
• RQ2 일관된 및 비일관된 탐지기 에너지 스케일 편향($\varepsilon_l$)이 $M_{W^+} - M_{W^-}$ 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 기존 질량 피팅 기법 대비 $p_{T,l}$ 기반 전하 비대칭성과 같은 새로운 관측량이 모델 의존성 감소 및 강건성 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 파톤의 횡운동량($k_T$) 모델링 및 탐지기 해상도는 최종 비대칭성 측정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이중 전하 비대칭 방법은 전통적 방법에 비해 체계적 오차 억제 및 정밀도 향상 측면에서 뛰어나게 성능을 발휘하는가?

주요 결과

• 제안된 전하 비대칭 방법은 체계적 오차를 크게 감소시켜, 기존 테바트론 기반 기법 대비 정밀도를 20배 향상시킬 수 있음을 입증했다.
• 일관된 에너지 스케일 편향($\varepsilon_l = 0.5\%$)으로 인한 체계적 오차는 기존 방법 대비 2~3배 감소하였으며, 이중 전하 비대칭 방법이 더 뛰어난 강건성을 보였다.
• 비일관된 에너지 스케일 편향($\varepsilon_l = \pm 0.5\%$)은 측정된 비대칭성에 더 큰 이격을 유도하지만, 최적화된 관측량 덕분에 신규 방법이 이러한 영향을 완화시켰다.
• 파톤의 $k_T$ 분포 변화에 대해서도 방법이 강건하였으며, $\langle k_T \rangle$ 값의 변화에 관계없이 $\chi^2$ 결과가 안정하였다.
• 빠르기($y_W$) 의존성 비대칭성의 포함은 감도 향상에 기여하여, 최종 $M_{W^+} - M_{W^-}$ 추출 과정에서 모델링 불확실성의 영향을 줄였다.
• 적절한 빈도수 분할 및 시드 선택을 통한 질량 템플릿 생성은 안정적인 $\chi^2$ 피팅을 보장하였으며, 템플릿이 약간 비일치하더라도(예: $M_{W^+}^\text{PD} = M_{W^-}^\text{PD} + 100\,\text{MeV}$) 편향은 무시할 만큼 작았다.