[논문 리뷰] Probing the weak mixing angle at high energies at the LHC and HL-LHC

S. Amoroso, Mauro Chiesa외 5명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC와 HL-LHC에서 중성미자 Drell-Yan 과정에서 다음 준순서(NLO) 양자전자역학 보정을 사용하여 수정된 최소제거(MS) 체계에서 전자약혼합각의 에너지 스케일 의존성(런닝)을 정밀하게 측정하는 방법을 제안한다. √s = 13.6 TeV에서의 양성자-양성자 충돌을 전역적으로 NLO 전자약역학 정확도와 하이브리드 재규격화 체계로 시뮬레이션한 결과, HL-LHC는 mℓℓ = 1000 GeV에서 sin²θMS_W(μ)를 1.9%의 정밀도로 측정할 수 있으며, mℓℓ = 3250 GeV에서는 3.5%의 정밀도를 달성할 것으로 예상되며, 주로 PDF 불확실성에 의해 제한된다.

ABSTRACT

Measurements of neutral current Drell-Yan production at large invariant dilepton masses can be used to test the energy scale dependence (running) of the electroweak mixing angle. In this work, we make use of a novel implementation of the full next-to-leading order electroweak radiative corrections to the Drell-Yan process using the $\overline{\mathrm{MS}}$ renormalization scheme for the electroweak mixing angle. The potential of future analyses using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13.6~\mathrm{TeV}$ in the Run 3 and High-Luminosity phases of the LHC is explored. In this way, the Standard Model predictions for the $\overline{\mathrm{MS}}$ running at $\mathrm{TeV}$ scales can be probed.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 고질량 Drell-Yan 생성의 감도가 MS 재규격화 체계에서 전자약혼합각의 런닝에 어떻게 영향을 미치는지 조사하는 것.
• Run 3와 HL-LHC 데이터가 표준모형에서 예측한 sin²θMS_W(μ)의 에너지 스케일 의존성에 대해 얼마나 탐색 가능한지 평가하는 것.
• 이론적 불확실성—특히 부분형분포함수(PDF), QCD, 고차항 보정 누락에 의한 영향을 sin²θMS_W(μ) 감도에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 최초로 전체 NLO 전자약역학 보정을 사용한 직접 감도 분석을 제공함으로써, 주로 로그-로그 보정이 적용된 최초순서 근사와의 대비를 제시하는 것.

제안 방법

• 본 연구는 POWHEG-BOX-V2 몬테카를로 이벤트 생성기에서 전체 NLO 전자약역학 보정을 신규로 구현한 것으로, 하이브리드 재규격화 체계를 사용함: MS 체계에서 αMS_EM(μ)와 sin²θMS_W(μ), Z 보손 질량 mZ는 온-shell 체계에서 정의됨.
• 삼중미분 단면적을 이중점 질량(mℓℓ), 빠르기(yℓℓ), Collins-Soper 각도(θCS)에 대해 시뮬레이션함. 이는 여섯 개의 mℓℓ 구간, 여섯 개의 |yℓℓ| 구간, 두 개의 cosθCS 구간으로 구성됨.
• 표준모형 가정 하에 가짜 데이터를 생성하였으며, 각 mℓℓ 구간 별로 sin²θMS_W(μ)의 변화를 적용하여 감도를 시뮬레이션함.
• 통계적, 실험적, PDF, QCD, EW 이론적 불확실성을 부수적 변수로 포함하여 xFitter 도구를 사용해 χ² 최소화 피팅을 수행함.
• 가짜 데이터에 대한 피팅을 통해 각 구간 별로 추출된 sin²θMS_W(μ)의 불확실성 측정을 통해 감도 δ sin²θMS_W(μ)를 추출함.
• PDF 세트의 영향을 평가하기 위해 NNPDF31, NNPDF40, MSHT20, CT18A, ABMP16를 사용하였으며, 광자 PDF 포함 여부를 고려하여 불확실성의 안정성을 검증함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC와 HL-LHC에서 고질량 Drell-Yan 생성은 테바-스케일 에너지에서 sin²θMS_W(μ)의 런닝을 탐색할 수 있는가?
• RQ2 전체 NLO 전자약역학 보정을 사용할 경우, mℓℓ > 1 TeV에서 sin²θMS_W(μ) 변화에 대한 기대 감도는 무엇인가?
• RQ3 PDF 불확실성은 고질량 Drell-Yan 과정에서 혼합각 런닝 감도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 HL-LHC 시나리오는 최초순서 연구 대비 Run 3에 비해 전자약혼합각의 MS 런닝 탐색에서 어떤 개선을 이룰 수 있는가?
• RQ5 다양한 PDF 세트는 sin²θMS_W(μ)에 대한 감도 추정치에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• HL-LHC는 mℓℓ = 1000 GeV에서 δ sin²θMS_W(μ)에 대해 1.9%의 감도를 확보할 것으로 예상되며, mℓℓ = 3250 GeV에서는 3.5%로 약화됨.
• Run 3는 mℓℓ = 1000 GeV에서 2.3%의 감도를 확보할 것으로 예상되며, mℓℓ = 3250 GeV에서는 6.6%로 감소함.
• 감도에 가장 큰 영향을 미치는 불확실성 원인은 PDF이며, 특정 PDF 세트에 따라 최고 mℓℓ 구간에서 최대 50%까지 변동 가능함.
• 광자 PDF 포함 여부에 관계없이 PDF 불확실성 수준이 유사하므로, 광자 기여가 감도 추정치에 크게 영향을 주지 않음.
• 전체 NLO EW 보정이 정확한 감도 추정에 필수적임을 입증하였으며, 최초순서 근사와 로그-로그 런닝을 적용한 경우 진정한 감도를 과소평가할 수 있음.
• 결과적으로 HL-LHC는 고에너지 스케일에서 표준모형의 sin²θMS_W(μ) 런닝 예측을 백분율 수준의 정밀도로 탐색할 수 있으며, 표준모형의 전자약역학 부문에 대한 엄격한 시험을 제공함.