[论文解读] Determination of the strong-coupling constant from the $Z$-boson transverse-momentum distribution

S. Camarda, Giancarlo Ferrera+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 91被引用 5

一句话总结

本论文首次在微扰量子色动力学（QCD）中以三下一阶（N³LO）精度，利用质子-反质子对撞中Z玻色子横动量分布的低横动量区域，确定了强耦合常数 αₛ(m_Z)。该分析基于CDF实验数据与DYTurbo的理论预测，得到 αₛ(m_Z) = 0.1185⁺⁰.⁰⁰¹⁴₋₀.⁰⁰¹⁵，相对不确定度为1.2%，是目前最精确的强子对撞机测量结果。

ABSTRACT

The strong-coupling constant is determined from the low-momentum region of the transverse-momentum distribution of $Z$ bosons produced through the Drell-Yan process, using predictions at third order in perturbative QCD. The analysis employs a measurement performed in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of $\sqrt{s} = 1.96$ TeV with the CDF experiment. The determined value of the strong coupling at the reference scale corresponding to the $Z$-boson mass is $α_S(m_Z) = 0.1191^{+0.0013}_{-0.0016}$.

研究动机与目标

• 提高标准模型中最为不精确的基本耦合常数——强耦合常数 αₛ(m_Z) 的精度。
• 解决现有 αₛ(m_Z) 测定结果之间的张力，特别是格点QCD与深度非弹性散射结果之间的差异。
• 通过使用半包容可观测量——Sudakov区域中的Z玻色子横动量，实现一种新的、高精度的 αₛ(m_Z) 测定，该区域理论不确定度最小。
• 证明在强子对撞机数据中，使用N³LL+ N³LO精度的重整化QCD预测进行耦合常数精确提取的可行性。
• 通过使用此前未包含在全球PDF分析中的非包容性、低pT区域，避免与现有部分子分布函数（PDF）拟合的相关性。

提出的方法

• 本分析使用CDF实验在 √s = 1.96 TeV 质子-反质子对撞中，对2.1 fb⁻¹积分亮度下的Z玻色子横动量分布进行测量。
• 理论预测通过公开的DYTurbo程序计算，该程序结合了三下一阶对数（N³LL）重整化与三下一阶（N³LO）固定阶贡献。
• 拟合在低pT区域（pT < 30 GeV）进行，该区域Sudakov峰主导，对 αₛ 的敏感性最大。
• 非微扰效应通过形式因子建模，不确定性通过尺度变化与PDF集合集合估算。
• 拟合包含实验、PDF与理论不确定性，并通过在不同拟合范围与PDF方案下进行稳定性检查。
• 通过D0实验的φ*η变量数据进行一致性检查，外推至pT，结果与CDF结果一致。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在强子对撞机中，利用N³LO+ N³LL重整化QCD预测的半包容可观测量，实现 αₛ(m_Z) 的高精度测定？
• RQ2 Z玻色子pT分布测得的 αₛ(m_Z) 不确定度与其它强子对撞机测定结果及世界平均值相比如何？
• RQ3 该结果对拟合范围变化的稳定性如何，特别是在对非微扰效应敏感的区域？
• RQ4 低pT区域的Z玻色子横动量分布能否作为避免与现有PDF拟合相关性的 αₛ(m_Z) 精确测量工具？
• RQ5 缺失的高阶QCD修正对最终 αₛ(m_Z) 测定结果的影响如何？

主要发现

• 强耦合常数测定结果为 αₛ(m_Z) = 0.1185⁺⁰.⁰⁰¹⁴₋₀.⁰⁰¹⁵，相对不确定度1.2%，为目前最精确的强子对撞机测量结果。
• 统计不确定度为 ±0.0007，实验系统误差为 ±0.0001，PDF不确定度为 ±0.0008，缺失高阶修正贡献为 ±0.0007⁺⁰.⁰⁰¹⁰₋₀.⁰⁰⁰⁴。
• 该结果与世界平均值 αₛ(m_Z) = 0.1179 ± 0.0009 以及其它高精度测定结果（包括格点QCD：0.1184 ± 0.0008）相容。
• 在不同拟合范围（如 pT < 20 GeV、pT < 40 GeV 和 pT > 4 GeV）下的稳定性测试显示，结果变化最大为 ±0.0002，证实对拟合区域变化具有鲁棒性。
• 使用D0数据的一致性检查得到 αₛ(m_Z) = 0.1184 ± 0.0013（电子道）与 0.1186 ± 0.0013（μ子道），在不确定度范围内与CDF结果一致。
• 本分析首次将N³LO+ N³LL重整化QCD预测应用于强子-强子碰撞中的半包容可观测量，且避免了与现有PDF集合的相关性。