[논문 리뷰] Theoretical and Experimental Status of the Indirect Higgs Boson Mass Determination in the Standard Model

U. Baur, R. Clare외 5명|ArXiv.org|2001. 11. 23.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 21인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 전자약력 정밀도 관측량, 특히 $M_W$와 $ \sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$에 기반하여 표준모형 내에서 힉스 보손 질량 ($M_H$)의 간접적 결정을 평가한다. 현재 이론적 불확실성은 $\delta M_W \approx 7$ MeV 및 $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$로 추정되며, 향후 GigaZ 기능을 갖춘 선형 충돌기에서는 $M_H$ 결정의 상대 정밀도 약 8%를 달성할 수 있을 것으로 예측된다. 현재 95% 신뢰수준에서 $M_H < 196$ GeV의 상한선이 존재한다.

ABSTRACT

The impact of theoretical and experimental uncertainties on the indirect determination of the Higgs boson mass, MH, in the Standard Model (SM) is discussed. Special emphasis is put on the electroweak precision observables MW (the W boson mass) and sin^2(theta_eff) (the effective leptonic mixing angle). The current uncertainties of the theoretical predictions for MW and sin^2(theta_eff) due to missing higher order corrections are conservatively estimated to delta MW \approx 7 MeV and delta sin^2(theta_eff) \approx 7 x 10^-5 . Expectations and necessary theoretical improvements for future colliders are explored. Results for the indirect MH determination are presented based on the present experimental and theoretical precisions as well as on improvements corresponding to the prospective situation at future colliders. The treatment of the different future colliders is done in a uniform way in order to allow for a direct comparison of the accuracies that can be reached. Taking all experimental, theoretical, and parametric uncertainties into account, a current upper bound on MH of \sim 200 GeV is obtained. Furthermore we find in a conservative approach that a Linear Collider with GigaZ capabilities can achieve a relative precision of about 8% (or better) in the indirect determination of MH.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 전자약력 정밀도 관측량을 이용한 현재 및 향후 $M_H$ 간접 결정의 정밀도를 평가하는 것.
• 결정적 보완 항목이 부족한 고차항 보정의 영향을 고려하여 $M_W$와 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$에 미치는 이론적 불확실성의 영향을 정량화하는 것.
• 향후 충돌기, 특히 테바트론, LHC 및 GigaZ 기능을 갖춘 선형 충돌기에서의 $M_H$ 결정 정밀도를 예측하는 것.
• 실험적, 이론적, 매개변수 불확실성 간의 상호작용이 $M_H$ 제약에 미치는 영향을 평가하는 것.

제안 방법

• 전체 전자약력 정밀도 관측량에 대한 피팅을 수행하였으며, $\log M_H$ 의 함수로 하는 $\Delta\chi^2$ 를 사용하여 신뢰구간을 유도하였다.
• $M_W$ 및 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 의 이론적 불확실성은 고차항 보정이 누락된 것으로 간주하여, $\delta M_W \approx 7$ MeV 및 $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$ 로 보수적으로 추정하였다.
• 향후 충돌기 예측은 모든 충돌기 간에 균일하게 모델링되어 정밀도 도달 범위를 직접 비교할 수 있도록 하였다.
• $\Delta\alpha(M_Z)$, $m_t$, $\alpha_s(M_Z)$ 에서 온 매개변수 불확실성은 포함되었으며, 향후 추정치에 대해 $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 7\times10^{-5}$ 를 가정하였다.
• 이론적 향상은 두 루프 보정의 불확실성 감소 및 개선된 강입자 진공 분극 추정치로 모델링되었다.
• 누적 불확실성은 실험적, 이론적, 매개변수 오차를 제곱합의 제곱근으로 계산하여 $M_H$ 의 총합 불확실성으로 산정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전자약력 정밀도 관측량을 이용한 간접 제약 조건으로부터 현재 힉스 보손 질량 $M_H$ 의 상한선은 무엇인가?
• RQ2 결정적 보완 항목이 부족한 고차항 보정으로 인한 $M_W$ 및 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 의 이론적 불확실성은 간접 $M_H$ 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 GigaZ 기능을 갖춘 선형 충돌기에서 향후 $M_H$ 의 정밀도는 어느 정도 기대할 수 있는가?
• RQ4 특히 $\Delta\alpha(M_Z)$ 와 $m_t$ 에서 온 매개변수 불확실성은 간접 $M_H$ 결정의 정밀도를 어떻게 제한하는가?
• RQ5 미래 고정밀도 실험에서 이론적 오차가 실험 오차를 초월하지 않도록 하기 위해 필요한 이론적 향상은 무엇인가?

주요 결과

• 전체 전자약력 정밀도 데이터에 대한 피팅을 통해 현재 95% 신뢰수준에서 힉스 보손 질량 상한선 $M_H < 196$ GeV 가 도출되었다.
• 결정적 보완 항목이 부족한 고차항 보정으로 인한 $M_W$ 및 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 의 이론적 불확실성은 각각 보수적으로 $\delta M_W \approx 7$ MeV 및 $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$ 로 추정되었다.
• GigaZ 기능을 갖춘 선형 충돌기에서는 $M_H$ 간접 결정의 상대 정밀도 약 8%를 달성할 수 있을 것으로 예측되었으며, 이는 이론적 및 매개변수 불확실성 향상 가정하에 성립한다.
• 같은 상대 실험 정밀도에서 효과적 렙톤 혼합 각도 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 는 $M_W$ 보다 $M_H$ 에 더 민감하게 반응하며, $M_H \approx 115$ GeV 에서 감도 향상 요소 3.1을 제공한다.
• 향후 이론 정밀도 향상, 특히 완전한 두 루프 보정 및 $\Delta\alpha(M_Z)$ 의 불확실성 감소가 GigaZ 에서의 $M_H$ 결정 정밀도를 이론적 오차가 제한하지 않도록 하기 위해 필수적이다.
• $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 7\times10^{-5}$ 와 함께 향상된 $\alpha_s(M_Z)$ 를 고려할 경우, $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 의 매개변수 불확실성은 $2.5\times10^{-5}$ 로 감소할 수 있으며, 이는 총합 $M_H$ 불확실성에 기여하는 요소를 제한할 수 있다.