[论文解读] Combined QCD and electroweak analysis of HERA data

ZEUS Collaboration, H. Abramowicz+125 more|arXiv (Cornell University)|Mar 31, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 3被引用 5

一句话总结

本文利用来自HERA ep对撞机的包含式深度非弹性散射数据，对部分子分布函数（PDFs）和电弱参数进行了同步全局拟合，其中纳入了2004–2007年期间电子束极化的数据。该分析精确测定了Z玻色子对u-夸克和d-夸克的耦合、电弱混合角以及W玻色子质量，所有结果均与标准模型预测高度一致，且与世界平均值具有相当的竞争力。

ABSTRACT

A simultaneous fit of parton distribution functions (PDFs) and electroweak parameters to HERA data on deep inelastic scattering is presented. The input data are the neutral current and charged current inclusive cross sections which were previously used in the QCD analysis leading to the HERAPDF2.0 PDFs. In addition, the polarisation of the electron beam was taken into account for the ZEUS data recorded between 2004 and 2007. Results on the vector and axial-vector couplings of the Z boson to u- and d-type quarks, on the value of the electroweak mixing angle and the mass of the W boson are presented. The values obtained for the electroweak parameters are in agreement with Standard Model predictions.

研究动机与目标

• 利用来自HERA ep对撞机的包含式深度非弹性散射数据，对部分子分布函数（PDFs）和电弱参数进行全局拟合。
• 从单一分析中提取Z玻色子对u-夸克和d-夸克耦合、电弱混合角以及W玻色子质量的精确值。
• 将2004–2007年ZEUS数据集中电子束极化数据纳入分析，以提高对电弱参数的敏感度。
• 评估PDF参数与电弱参数之间的相关性，确保拟合过程中干扰最小化。
• 检验结果与标准模型预测及世界平均值的一致性。

提出的方法

• 在全局QCD与电弱框架下，使用13个PDF参数和4个电弱参数（Z玻色子对u-夸克和d-夸克的耦合、sin²θW、MW）进行同步拟合。
• 分析使用ZEUS HERA II数据中的中性流和带电流包含截面，中性流部分覆盖Q²从185到51,200 GeV²、Bjorken-x从0.0063到0.75；带电流部分覆盖Q²从200到60,000 GeV²、Bjorken-x从0.0078到1.0。
• 纳入2004–2007年的束流极化数据，以增强对电弱参数的敏感度，特别是对Z玻色子耦合的测量。
• 将不确定性分解为实验/拟合、模型和参数化三部分，以评估系统效应。
• 对MW和sin²θW采用壳模型方案，并通过全局拟合施加约束，以保持与QCD演化的一致性。
• 在(MW, sin²θW)平面上生成68%和95%置信水平的等高线图，以可视化参数相关性及与世界平均值的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 从单一实验中，Z玻色子对u-夸克和d-夸克的耦合最精确的测量结果是什么？
• RQ2 HERA数据提取的sin²θW和MW值与标准模型预测的符合程度如何？
• RQ3 电子束极化对深度非弹性散射中电弱参数提取精度有何影响？
• RQ4 在全局QCD与电弱拟合中，电弱参数与PDF参数之间的相关性如何？
• RQ5 HERA数据集能否提供与其它高能实验相当的sin²θW和MW约束？

主要发现

• Z玻色子对u-夸克的轴矢量耦合确定为au = +0.50⁺⁰.⁰⁹₋₀.₀⁵（实验/拟合）⁺⁰.⁰⁴₋₀.₀²（模型）⁺⁰.⁰⁸₋₀.₀¹（参数化），为迄今最精确的单一合作组测量结果。
• Z玻色子对d-夸克的轴矢量耦合为ad = -0.56⁺⁰.³⁴₋₀.¹⁴（实验/拟合）⁺⁰.¹¹₋₀.₀⁵（模型）⁺⁰.²⁰₋₀.⁰⁰（参数化），由于灵敏度有限，不确定性较大。
• Z玻色子对u-夸克的矢量耦合为vu = +0.14⁺⁰.⁰⁸₋₀.₀⁸（实验/拟合）⁺⁰.⁰¹₋₀.₀²（模型）⁺⁰.⁰⁰₋₀.₀³（参数化），与标准模型预期一致。
• Z玻色子对d-夸克的矢量耦合为vd = -0.41⁺⁰.²⁴₋₀.₁₆（实验/拟合）⁺⁰.⁰⁴₋₀.₀⁷（模型）⁺⁰.⁰⁰₋₀.₀⁸（参数化），与SM预测良好一致。
• W玻色子质量提取为MW = 80.68 ± 0.28（实验/拟合）⁺⁰.¹²₋₀.₀¹（模型）⁺⁰.²³₋₀.₀¹（参数化）GeV，在2σ范围内与世界平均值一致。
• 电弱混合角确定为sin²θW = 0.2252 ± 0.0011（实验/拟合）⁺⁰.⁰⁰⁰³₋₀.⁰⁰⁰¹（模型）⁺⁰.⁰⁰⁰⁷₋₀.⁰⁰⁰¹（参数化），与中微子物理领域的结果具有可比性。