[论文解读] Strategies for precision measurements of the charge asymmetry of the W boson mass at the LHC within the ATLAS experiment

F. Fayette|ArXiv.org|Jun 23, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 25被引用 7

一句话总结

本博士论文提出了一种新颖策略，用于在大型强子对撞机（LHC）的ATLAS实验中对W玻色子质量的电荷不对称性（$M_{W^+} - M_{W^-}$）进行高精度测量。通过引入新的可观测量，并优化追踪器配置与LHC运行模式，该方法显著降低了系统误差，使精度相比传统的基于费米实验室（Tevatron）的技术实现了20倍的提升。

ABSTRACT

This thesis dissertation presents a prospect for a measurement of the charge asymmetry of the W boson mass (MW+ - MW-) at the LHC within the ATLAS experiment. This measurement is of primordial importance for the LHC experimental program, both as a direct test of the charge sign independent coupling of the W bosons to the fermions and as a mandatory preliminary step towards the precision measurement of the charge averaged W boson mass. This last pragmatic point can be understood since the LHC specific collisions will provide unprecedented kinematics for the positive and negative channels while the SPS and Tevatron collider produced W+ and W- on the same footing. For that reason, the study of the asymmetries between W+ and W- in Drell--Yan like processes (production of single W decaying into leptons), studied to extract the properties of the W boson, is described thoroughly in this document. Then, the prospect for a measurement of MW+ - MW- at the LHC is addressed in a perspective intending to decrease as much as possible the systematic errors that will inevitably comes from the misunderstanding of both phenomenological and apparatus modeling. For that matter strategies have been devised specifically for the present measurement to display robustness with respect to the main uncertainties. These strategies consist of introducing new observables along with considering specific LHC running modes and configurations of the ATLAS tracker. Eventually we show that the present (2009) precision can be improved at the LHC by a factor of 20 and argue that such a precision is beyond the reach of the standard measurement and calibration methods imported to the LHC from the Tevatron program.

研究动机与目标

• 在大型强子对撞机（LHC）上实现对W玻色子质量电荷不对称性（$M_{W^+} - M_{W^-}$）的高精度测量，这是检验标准模型中W玻色子与费米子之间电荷符号无关耦合的关键测试。
• 解决由W玻色子衰变中探测器响应与部分子喷注建模不完善所引发的系统误差挑战。
• 开发对相干与非相干能量标度偏差、分辨率效应以及部分子横向动量（$k_T$）建模具有鲁棒性的分析策略。
• 超越从费米实验室（Tevatron）引入的标准方法的精度水平，这些方法已不足以满足LHC的精度要求。
• 为未来实现平均W玻色子质量的高精度测量奠定基础，首先通过高精度测量电荷不对称性。

提出的方法

• 提出一种基于带电轻子来自$W^+ \to \ell^+ \nu$与$W^- \to \ell^- \bar{\nu}$衰变的横向动量（$p_{T,l}$）谱的电荷不对称性方法。
• 采用似然分析，利用蒙特卡罗模拟（WINHAC、Pythia、PHOTOS）生成的质量模板来建模$W^+$与$W^-$的不变质量分布。
• 使用带有受控系统性偏差的伪数据（例如，$\varepsilon_l = \pm 0.05\%$至$0.5\%$）来评估该电荷不对称性方法在相干与非相干能量标度偏移下的鲁棒性。
• 应用双电荷不对称性方法，结合$p_{T,l}$与快度（$y_W$）分布，以增强灵敏度并降低模型依赖性。
• 对$ p_{T,l}$与电荷不对称性的分箱分布执行$\chi^2$最小化，以最小偏差提取$M_{W^+} - M_{W^-}$。
• 在不同部分子$k_T$分布与接受度截断条件下测试该方法，以评估其在QCD效应下的稳定性与灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否能够在LHC上以足够高的精度测量W玻色子质量的电荷不对称性，从而检验W-费米子耦合的电荷符号无关性？
• RQ2 探测器能量标度偏差（相干与非相干）所导致的系统误差如何影响$M_{W^+} - M_{W^-}$的测量？
• RQ3 与标准质量拟合方法相比，基于$p_{T,l}$的新型可观测量在多大程度上可降低模型依赖性并提升鲁棒性？
• RQ4 部分子横向动量（$k_T$）建模与探测器分辨率对最终电荷不对称性测量有何影响？
• RQ5 双电荷不对称性方法在系统误差抑制与精度方面是否优于经典方法？

主要发现

• 所提出的电荷不对称性方法显著降低了系统误差，使精度相比标准费米实验室（Tevatron）方法实现了20倍的提升。
• 与经典方法相比，相干能量标度偏差（$\varepsilon_l = 0.5\%$）引起的系统误差降低了2至3倍，且双电荷不对称性方法展现出更优的鲁棒性。
• 非相干能量标度偏差（$\varepsilon_l = \pm 0.5\%$）会导致测量不对称性出现更大偏移，但新方法通过优化可观测量有效缓解了这些影响。
• 该方法在部分子$k_T$分布变化下仍保持鲁棒，不同$\langle k_T \rangle$值下的$\chi^2$结果保持稳定。
• 引入与$y_W$相关的不对称性可提升灵敏度，降低建模不确定性对最终$M_{W^+} - M_{W^-}$提取的影响。
• 通过合理分箱与种子选择生成质量模板，可确保$\chi^2$拟合稳定，即使模板存在轻微错位（例如，$M_{W^+}^\text{PD} = M_{W^-}^\text{PD} + 100\,\text{MeV}$）时偏差也可忽略不计。