[논문 리뷰] Understanding and constraining the PDF uncertainties in a $W$ boson mass measurement with LHCb

Stephen Farry, M. Vesterinen외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 12.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHCb의 고속도 라피디티 커버리지라는 고유한 특성을 활용하여 LHCb에서의 $W$ 보손 질량 측정에서 Parton Distribution Function (PDF) 불확실성 감소를 위한 방법을 제안한다. Run 2 데이터에 새로운 PDF 제약 기법을 적용함으로써, PDF 불확실성이 약 두 배 감소할 잠재력이 있음을 입증하였으며, 이는 $M_W$ 측정의 정밀도 향상에 기여한다.

ABSTRACT

Precision electroweak tests are a powerful probe of physics beyond the Standard Model, but the sensitivity is limited by the precision with which the $W$ boson mass ($M_W$) has been measured. The Parton Distribution Function (PDF) uncertainties are a potential limitation for measurements of $M_W$ with LHC data. It has recently been pointed out that, thanks to LHCb's unique forward rapidity acceptance, a new measurement of $M_W$ by LHCb can improve this situation. Here we report on a detailed study on the mechanism driving the PDF uncertainty in the LHCb measurement of $M_W$, and propose an approach which should reduce this uncertainty by roughly a factor of two using LHCb Run 2 data.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 고정밀도 $W$ 보손 질량 측정에 있어 Parton Distribution Function (PDF) 불확실성으로 인한 제약를 해결하기 위해.
• LHCb의 $M_W$ 측정에서 PDF 불확실성의 기원과 영향을 분석하며, 이는 고속도 라피디티 수용 범위로 인해 고유하게 민감한 이유 때문이다.
• LHCb Run 2 데이터를 활용하여 PDF 불확실성을 감소시키는 방법을 개발하고 검증하기 위해.

제안 방법

• LHCb의 $M_W$ 측정에서 PDF 불확실성을 이끄는 메커니즘을 고속도 영역에서의 $W$ 보손 생성을 통해 분석한다.
• LHCb의 Run 2 데이터에서의 운동량 및 라피디티 분포를 활용하여 PDF에 새로운 제약 기법을 적용함으로써 그 불확실성을 감소시킨다.
• 이 방법은 LHCb의 고속도 라피디티 수용 범위를 활용하여 특정 PDF 조합에 대한 민감도를 향상시킨다.
• LHCb의 $W$ 보손 데이터에서 유도된 추가 제약 조건을 포함한 PDF의 글로벌 피팅을 통해 전체 PDF 불확실성을 감소시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHCb의 $M_W$ 측정에서 PDF 불확실성의 주요 원인은 무엇이며, 고속도 운동역학으로 인해 어떻게 발생하는가?
• RQ2 LHCb의 고유한 고속도 라피디티 커버리지를 활용하여 $M_W$ 측정의 PDF 불확실성을 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 Run 2 데이터를 활용하여 데이터 기반의 PDF 제약 기법이 $M_W$ 측정의 PDF 불확실성을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 제약 기법을 통해 LHCb의 $M_W$ 측정에서 PDF 불확실성이 약 두 배 감소할 수 있다.
• LHCb의 고속도 라피디티 수용 범위는 $M_W$ 측정에 관련된 PDF를 제약하는 데 있어 고유하고 효과적인 채널을 제공한다.
• 이 방법은 주요 PDF 불확실성 성분을 감소시키는 데 효과적이며, 심각한 편향을 유발하지 않는다.
• 이 연구는 LHCb Run 2 데이터가 $M_W$ 측정의 정밀도 향상에 기여할 수 있도록 PDF를 제약하는 데 사용될 수 있음을 확인한다.