[论文解读] PDF uncertainties in the extraction of the W mass at LHC: a Snowmass Whitepaper

Juan Rojo, A. Vicini|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 15被引用 4

一句话总结

本文通过顶夸克质量分布（$m_T^W$）量化了LHC中W玻色子质量测定的PDF不确定性，表明使用NNPDF2.3 NLO时，模板归一化可将PDF引起的不确定性降低至约4 MeV。此外，研究还探讨了轻子$ p_T $分布，强调需要进行重叠QCD修正和改进PDF约束，以实现亚10 MeV精度。

ABSTRACT

The precision measurement of the W boson mass is an important milestone for the LHC physics program in the coming years. An accurate measurement of $M_W$ allows to perform stringent consistency tests of the Standard Model by means of global electroweak fits, which in turn are sensitive to New Physics at scales potentially higher than the ones explored in direct searches. From the theoretical point of view, our limited knowledge of PDFs will be one of the dominant sources of uncertainty in ongoing and future LHC determinations of $M_W$. In this whitepaper, we have quantified the impact of PDF uncertainties in the W mass extractions from the transverse mass distribution at the LHC. The calculation has been performed using the NNPDF2.3 set, which includes direct constrains on the W boson production kinematics with data for electroweak gauge boson production from the LHC. Our results confirm previous estimates that PDF uncertainties in the determination of $M_W$ from the $m_W^T$ distribution are moderate, around 10 MeV at most. We briefly discuss also the case of the lepton $p_T$ distribution.

研究动机与目标

• 量化部分子分布函数（PDF）不确定性对LHC中W玻色子质量（$M_W$）精确提取的影响。
• 评估PDF不确定性是否可能限制LHC中实现10 MeV量级精度$M_W$测量的目标。
• 评估归一化模板分布对降低$M_W$拟合中对PDF不确定性的敏感性之有效性。
• 探讨利用轻子横动量（$p_T^l$）分布作为替代$M_W$提取通道的潜力，同时考虑高阶QCD修正。
• 识别关键的PDF相关挑战——尤其是胶子和夸克分布——并建议减少不确定性的策略，如使用$W/Z$比值或包含QED修正的PDF集合。

提出的方法

• 使用NNPDF2.3 NLO PDF集合（1000个副本）生成高统计量、NLO-QCD精确的$m_T^W$分布模板，以建模PDF不确定性。
• 通过将每个PDF副本的伪数据与变化$M_W$的参考模板进行比较，执行模板拟合分析，同时使用归一化和未归一化分布。
• 将模板归一化至拟合区域的总积分，以解耦归一化效应与形状敏感性，从而降低$M_W$中的PDF诱导不确定性。
• 计算PDF副本与最佳拟合$M_W$值之间的相关性，以评估PDF不确定性对$M_W$确定的影响程度，特别是在未归一化与归一化情况下的差异。
• 将分析扩展至轻子$ p_T^l $分布，评估NLO-QCD修正和夸克-胶子初态过程的作用，这些过程在该通道中主导PDF不确定性。
• 评估使用$W/Z$比值分布以抵消共同PDF不确定性（尤其是胶子PDF）的潜力，并通过NNPDF2.3 QED集合考虑QED修正的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用现代PDF集合时，LHC中通过$m_T^W$分布测定$M_W$的PDF不确定性有多大？
• RQ2 模板归一化能否显著降低$M_W$拟合对PDF不确定性的敏感性？
• RQ3 从轻子$ p_T^l $分布中提取$M_W$的PDF不确定性与从$m_T^W$分布中的相比如何？高阶QCD修正在此过程中起什么作用？
• RQ4 哪些部分子初态过程（如夸克-反夸克与夸克-胶子）在$M_W$拟合中主导PDF不确定性？$W/Z$分布比值能否降低这种不确定性？
• RQ5 未来包含QED修正的PDF集合在多大程度上能进一步提高$M_W$测定的精度？

主要发现

• 使用NNPDF2.3 NLO PDF集合时，通过归一化模板拟合，从$m_T^W$分布中提取$M_W$的PDF不确定性可降低至约4 MeV。
• 与未归一化模板相比，使用归一化模板可使PDF诱导不确定性降低两倍，表明归一化能有效解耦$M_W$拟合与PDF变化之间的相关性。
• 在$m_T^W$拟合中，主导的PDF不确定性来源于归一化效应，而$M_W$的形状敏感性在很大程度上与整体归一化无关。
• 在轻子$ p_T^l $分布中，夸克-胶子初态过程在PDF不确定性中贡献显著，尤其是在Jacobian峰附近，这是由于$ p_T^W $存在强相关性。
• 在$m_T^W$和$ p_T^l $分布中，夸克-反夸克贡献的PDF不确定性均占重要比重，但后者需要使用重叠QCD计算进行准确建模。
• 未来$M_W$精度的提升将需要新数据来约束所有夸克流和胶子在广泛$x$范围内的分布，而使用$W/Z$比值可能有助于抵消共同的PDF不确定性。