[论文解读] Improved strong coupling determinations from hadronic decays of electroweak bosons at N$^3$LO accuracy

D. d’Enterria, Villads Jacobsen|arXiv (Cornell University)|May 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 26被引用 10

一句话总结

本论文利用N³LO QCD计算和来自W与Z玻色子强子衰变的更新实验数据，对QCD耦合常数αS(mZ)给出了改进的测定结果。基于Z玻色子数据，得到αS(mZ) = 0.1203 ± 0.0028，基于W玻色子数据，得到αS(mZ) = 0.101 ± 0.027，其不确定性分别降低了约7%和25%，该结果得益于完整的N³LO理论精度以及来自LEP和FCC-ee预测的实验伪观测量的优化。

ABSTRACT

We present two new extractions of the QCD coupling constant at the Z pole, $α_S(m_Z)$, from detailed comparisons of inclusive W and Z hadronic decays data to state-of-the-art perturbative Quantum Chromodynamics calculations at next-to-next-to-next-to-leading order (N$^{3}$LO) accuracy, incorporating the latest experimental and theoretical developments. In the W boson case, the total width computed at N$^{3}$LO is used for the first time in the extraction. For the Z boson pseudo-observables, the N$^{3}$LO results are complemented with the full two- and partial three-loop electroweak corrections recently made available, and the experimental values are updated to account for newly estimated LEP luminosity biases. A combined reanalysis of the Z boson data yields $α_S(m_Z) = 0.1203 \pm 0.0028$, with a 2.3\% uncertainty reduced by about 7\% compared to the previous state-of-the-art. From the combined W boson data, a value of $α_S(m_Z) = 0.101 \pm 0.027$ is extracted, with still large experimental uncertainties but also reduced compared to previous works. The levels of theoretical and parametric precision required in the context of QCD coupling determinations with permil uncertainties from high-statistics W and Z boson samples expected at future $e^+e^-$ colliders such as the FCC-ee, are discussed in detail.

研究动机与目标

• 利用最先进的N³LO QCD计算，提高QCD耦合常数αS(mZ)的精度。
• 整合最新的Z玻色子伪观测量实验数据，包括更新的LEP亮度修正。
• 评估在未来的e⁺e⁻对撞机（如FCC-ee）上实现αS(mZ)千分之一量级精度所需的理论与实验条件。
• 提供W与Z玻色子部分宽度在N³LO精度下的物理上有用的参数化表达式。
• 评估高阶电弱修正及QCD–EW混合修正对αS(mZ)提取的影响。

提出的方法

• 对W与Z玻色子的总强子衰变数据与N³LO QCD预测进行详细比较。
• 对W与Z玻色子的总宽度和强子宽度采用完整的N³LO计算，包括主导费米子三圈电弱修正。
• 整合更新后的Z玻色子伪观测量实验值（ΓZ^tot, RZ, σZ^had），并引入修正的LEP亮度偏差修正。
• 使用gfitter 2.2代码，结合更新的理论与实验输入，对αS(mZ)进行全局拟合。
• 估算来自实验、理论及参数源的传播不确定性，包括未来FCC-ee的预测。
• 评估实现千分之一量级精度所需的关键条件：N⁴LO QCD、高阶电弱修正及QCD–EW混合修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 N³LO QCD修正对从W与Z强子衰变中提取的αS(mZ)精度有何影响？
• RQ2 更新的LEP亮度修正如何影响Z玻色子伪观测量的实验值及其后续的αS(mZ)测定？
• RQ3 在未来的FCC-ee实验中，为实现αS(mZ)千分之一量级不确定度，需要哪些理论与实验改进？
• RQ4 与以往的NNLO分析相比，W玻色子总宽度的完整N³LO计算如何提升αS(mZ)提取的精度？
• RQ5 高阶电弱修正与QCD–EW混合修正在多大程度上减少了αS(mZ)测定中的理论不确定性？

主要发现

• 对Z玻色子数据的联合分析得到αS(mZ) = 0.1203 ± 0.0028，相比先前最先进的结果，不确定性降低了7%。
• 对W玻色子数据的分析得到αS(mZ) = 0.101 ± 0.027，相比早期提取结果，不确定性降低了25%。
• W与Z玻色子宽度计算的理论不确定性分别降低了三倍与四倍，但要实现千分之一量级精度仍需进一步改进。
• 包含完整的两圈电弱修正与主导三圈电弱修正显著提升了Z玻色子预测的准确性。
• 未来FCC-ee实验若具备高统计量，有望将αS(mZ)的不确定性降至千分之一量级：0.00013（实验）、0.00005（参数）、0.00022（理论）。
• 本研究提供了适用于全局拟合与精密物理研究的、在N³LO精度下的W与Z玻色子部分宽度的新物理参数化表达式。