[论文解读] Compatibility and combination of world W-boson mass measurements

S. Amoroso, N. Andari+17 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文使用一致的理论框架（包含部分子分布函数PDF不确定性相关性）对ATLAS、LHCb、CDF、D0和LEP的全球W玻色子质量测量结果进行了全面的相容性与组合分析。使用CT18 PDF集合的组合结果为mW = 80394.6 ± 11.5 MeV，相容性概率仅为0.5%，表明存在显著张力——尤其来自CDF测量结果，若将其排除，则得到一致的值80369.2 ± 13.3 MeV，比CDF结果低3.6σ。

ABSTRACT

The compatibility of W-boson mass measurements performed by the ATLAS, LHCb, CDF, and D0 experiments is studied using a coherent framework with theory uncertainty correlations. The measurements are combined using a number of recent sets of parton distribution functions (PDF), and are further combined with the average value of measurements from the Large Electron-Positron collider. The considered PDF sets generally have a low compatibility with a suite of global rapidity-sensitive Drell-Yan measurements. The most compatible set is CT18 due to its larger uncertainties. A combination of all $m_W$ measurements yields a value of $m_W$ = 80394.6 $\pm$ 11.5 MeV with the CT18 set, but has a probability of compatibility of 0.5% and is therefore disfavoured. Combinations are performed removing each measurement individually, and a 91% probability of compatibility is obtained when the CDF measurement is removed. The corresponding value of the W boson mass is 80369.2 $\pm$ 13.3 MeV, which differs by 3.6 sigma from the CDF value determined using the same PDF set.

研究动机与目标

• 评估来自强子和e+e−对撞机的全球W玻色子质量测量结果之间的相容性。
• 解决近期高精度测量结果之间的张力，特别是CDF结果与其他结果之间的张力。
• 在理论不确定性（尤其是PDF相关性）一致处理的前提下，执行mW的世界平均值组合。
• 评估不同PDF集合对相容性及最终组合值的影响。

提出的方法

• 应用一致的框架，将ATLAS、LHCb、CDF、D0和LEP的mW测量结果进行组合，同时考虑探测器效应和理论不确定性。
• 通过探测器响应和事件生成器（如ResBos、DYqT）的真实模拟传播理论不确定性，PDF不确定性通过主成分分析估算。
• 利用多个PDF集合（CT18、NNPDF4.0、MMHT20等）计算不同实验之间PDF不确定性的相关性，以评估其对相容性的影响。
• 组合过程采用基于χ²的相容性检验，评估不同PDF集合下的相容性，通过逐一排除各测量结果进行排除研究。
• 基于PDF集合和事件生成器的差异对测量结果进行调整，以确保可比性。
• 结果在多个PDF集合下呈现，CT18集合因不确定性较大，表现出最高的相容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 当理论不确定性被一致地关联时，CDF、D0、ATLAS、LHCb和LEP的最新W玻色子质量测量结果之间的相容性如何？
• RQ2 部分子分布函数（PDF）集合的选择如何影响mW的相容性与组合值？
• RQ3 为何包含CDF测量结果的组合显示出极低的相容性（0.5%），尽管输入数据精度很高？
• RQ4 当排除CDF测量结果时，世界平均mW值是多少？其与CDF结果相比如何？
• RQ5 PDF不确定性及其相关性在多大程度上限制了未来mW组合的精度与一致性？

主要发现

• 使用CT18 PDF集合组合所有mW测量结果，得到mW = 80394.6 ± 11.5 MeV，χ²相容性概率仅为0.5%，表明存在显著的统计张力。
• 当排除CDF测量结果后，组合得到的mW值为80369.2 ± 13.3 MeV，相容性概率达91%，表明CDF结果是张力的主要来源。
• 当使用相同的CT18 PDF集合重新评估CDF测量结果时，其与其余所有实验组合结果的差异达3.6σ，凸显出显著的不一致。
• CT18 PDF集合被发现与全局数据最相容，因其不确定性较大，从而降低了对PDF模型依赖的敏感性。
• 其他PDF集合（如NNPDF4.0、MMHT2014）的相容性概率介于2×10⁻⁵至3×10⁻³之间，表明与数据一致性较差。
• mW对PDF集合的依赖性依然显著，不同集合之间的差异与各自不确定性量级相当，表明PDF模型依赖性是未来高精度测量的关键限制因素。