[논문 리뷰] Understanding PDF uncertainty on the $W$ boson mass measurements in CT18 global analysis

J. Gao, DianYu Liu외 1명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 08.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CDF와 ATLAS에서의 $W$ 보손 질량 측정에서 부분론 분포 함수(PDFs)가 횡방향 질량 분포에 미치는 영향을 조사하며, 다양한 PDF 세트 간의 산란이 개별 PDF 불확실성보다 크다는 것을 발견한다. CT18 전체 분석에서 라그랑주 승수 스캔을 수행한 결과, 중간 $x$에서의 $d$-쿼크 PDF가 깊이 있는 산란 및 Drell-Yan 데이터에 의해 제약을 받고 있으며, $W$ 보손 질량 추출에 가장 민감한 것으로 밝혀졌으며, 정밀 측정에서 이론적 불확실성을 줄이기 위해 최신 PDF가 필요하다는 점을 강조한다.

ABSTRACT

We study the dependence of the transverse mass distribution of the charged lepton and the missing energies on the parton distributions (PDFs) adapted to the $W$ boson mass measurements at the CDF and ATLAS experiments. We compare the shape variations of the distribution induced by different PDFs and find that spread of predictions from different PDF sets can be much larger than the PDF uncertainty predicted by a specific PDF set. We suggest analyzing the experimental data using up-to-date PDFs for a better understanding of the PDF uncertainties in the $W$ boson mass measurements. We further carry out a series of Lagrange multiplier scans to identify the constraints on the transverse mass distribution imposed by individual data sets in the CT18 global analysis. In the case of CDF measurement, the distribution is mostly sensitive to the $d$-quark PDFs at the intermediate $x$ region that is largely constrained by the DIS and Drell-Yan data on the deuteron target, as well as the Tevatron lepton charge asymmetry data.

연구 동기 및 목표

• 부분론 분포 함수(PDFs)가 횡방향 질량 분포에 미치는 영향, 특히 $W$ 보손 질량 측정에 대한 민감도를 평가하기 위해.
• 개별 PDF 세트에서 추정한 PDF 불확실성과 실제로 여러 PDF 세트 간의 예측 산란 사이의 격차를 정량화하기 위해.
• CT18 전체 분석에서 $W$ 보손 질량 추출에 영향을 주는 PDF를 가장 강하게 제약하는 실험 데이터 세트를 특정하기 위해.
• CDF 측정 맥락에서 인식된 이론적 불확실성, 예를 들어 척도 의존성, 강한 상호작용 상수, $W$-보손 너비의 역할을 평가하기 위해.

제안 방법

• CDF와 ATLAS $W$ 보손 질량 측정 맥락에서 현대적 PDF 세트(CT18, MSHT20, NNPDF3.1, NNPDF4.0) 간 횡방향 질량 분포를 비교하기 위해.
• CT18 전체 PDF 피팅에서 라그랑주 승수 스캔을 수행하여 개별 데이터 세트가 횡방향 질량 분포에 미치는 제약 조건을 분리하기 위해.
• 1차 및 1차 보정 순서 PDF를 사용하여 $W$ 보손 빠르기 및 횡방향 운동량 분포를 분석하여 PDF 유도형 형태 변화를 추적하기 위해.
• $χ^2$ 피팅을 사용하여 평균 횡방향 질량과 추출된 $W$ 보손 질량 간의 반비례 관계를 검증하기 위해.
• CDF 맥락에서 인식된 이론적 불확실성, 즉 분리 및 재정규화 척도, 강한 상호작용 상수 $\alpha_s$, $W$-보손 붕괴 너비를 평가하기 위해.
• 전자 수용성 절단을 적용하고 PDF 세트 간 결과를 비교하여 운동량 분포에서 PDF 유도 이동을 분리하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CDF 및 ATLAS 측정에서 다양한 PDF 세트가 $W$ 보손 붕괴 제품의 횡방향 질량 분포에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 여러 PDF 세트 간의 예측 산란이 개별 PDF 세트에서 추정한 PDF 불확실성보다 얼마나 큰가?
• RQ3 CT18 전체 분석에서 $W$ 보손 질량 추출에 영향을 주는 PDF를 가장 강하게 제약하는 실험 데이터 세트는 무엇인가?
• RQ4 CDF 측정 맥락에서 이론적 불확실성(예: $\alpha_s$, 척도 의존성, $W$-보손 너비)이 실험적 불확실성과 PDF 불확실성에 비해 어느 정도인가?
• RQ5 중간 $x$에서의 $d$-쿼크 PDF는 $W$ 보손 빠르기 및 횡방향 질량 분포를 어떻게 형성하는가?

주요 결과

• CT18, MSHT20, NNPDF3.1, NNPDF4.0 등 다양한 PDF 세트 간의 $W$ 보손 질량 예측 산란은 어떤 하나의 PDF 세트에서 보고된 PDF 불확실성보다 크게, 이론적 불확실성의 과소평가를 시사한다.
• 양성 레프톤과 미량 에너지의 평균 횡방향 질량은 추출된 $W$ 보손 질량과 강하게 반비례하며, $χ^2$ 피팅과 직접적인 실험 질량 이동 비교를 통해 검증되었다.
• CDF 측정에서 횡방향 질량 분포는 중간 $x$에서의 $d$-쿼크 PDF에 가장 민감하며, 주로 디퓨전 산란(DIS) 및 딜-얀 데이터에 의해 제약을 받고, 디우터늄 타겟에서의 데이터와 테바트론 전자기 충격 비율 데이터도 기여한다.
• ATLAS 측정에서 PDF에 대한 가장 강한 제약는 HERA의 포함형 DIS 데이터, E866 Drell-Yan 비율 데이터, CMS 전자기 충격 비율 데이터에서 유래한다.
• $W$-보손 붕괴 너비 효과는 CDF 측정에서 전체 실험 불확실성과 비슷한 크기의 이론적 불확실성을 기여하며, 이를 간과할 수 없음을 시사한다.
• NNPDF4.0은 이전 버전에 비해 큰 $x$에서의 $d$-쿼크 PDF를 억제하며, 반-부스트 영역($y_{b} > 0$)에서 평균 횡방향 운동량과 횡방향 질량을 감소시켜 $W$ 보손 질량 추출에 영향을 준다.