[论文解读] Measurement of the effective leptonic weak mixing angle

LHCb Collaboration, Aaij, R.+1148 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 1

一句话总结

本论文利用LHCb实验在2016至2018年间收集的√s = 13 TeV下5.4 fb⁻¹的pp碰撞数据，对有效轻子弱混合角sin²θₑff进行了精确测量。通过在十个体现伪快度差|Δη|的区间内测量Z → μ⁺μ⁻衰变的前后向不对称性，并与下一阶微扰量子色动力学（NLO）预测进行比较，研究报告得到sin²θₑff = 0.23147 ± 0.00044（统计）± 0.00005（系统）± 0.00023（理论），相比之前LHCb的测量精度提高了两倍以上，且与全球电弱拟合结果一致。

ABSTRACT

Using $pp$ collision data at $\sqrt{s}=13$ TeV, recorded by the LHCb experiment between 2016 and 2018 and corresponding to an integrated luminosity of $5.4$ fb$^{-1}$, the forward-backward asymmetry in the $pp o Z/γ^{*} o μ^+μ^-$ process is measured. The measurement is carried out in ten intervals of the difference between the muon pseudorapidities, within a fiducial region covering dimuon masses between $66$ and $116$ GeV, muon pseudorapidities between $2.0$ and $4.5$ and muon transverse momenta above $20$ GeV. These forward-backward asymmetries are compared with predictions, at next-to-leading order in the strong and electroweak couplings. The measured effective leptonic weak mixing angle is $\sin^2θ_{ m eff}^\ell = 0.23147 \pm 0.00044 \pm 0.00005 \pm 0.00023$, where the first uncertainty is statistical, the second arises from systematic uncertainties associated with the asymmetry measurement, and the third arises from uncertainties in the fit model used to extract $\sin^2θ_{ m eff}^\ell$ from the asymmetry measurement. This result is based on an arithmetic average of results using the CT18, MSHT20, and NNPDF31 parameterisations of the proton internal structure, and is consistent with previous measurements and with predictions from the global electroweak fit.

研究动机与目标

• 利用LHC上的LHCb实验数据，以更高精度测量有效轻子弱混合角sin²θₑff。
• 通过利用LHCb探测器的前向覆盖范围和高角分辨率，减少强子对撞机测量中的理论不确定性。
• 检验测量得到的sin²θₑff与全球电弱拟合结果以及先前高精度测量的一致性。
• 通过使用探测器的几何有效区域并按|Δη|分箱，降低对质子部分子分布函数（PDFs）的敏感性，从而增强结果的模型无关性。

提出的方法

• 在十个体现伪快度差|Δη|的区间内测量前后向不对称性AFB，以分离对弱混合角最敏感的事件。
• 采用Collins–Soper参考系计算cos θ*，其中θ*为二轻子系统的极角，从而提取微分截面中与sin²θₑff相关的线性项。
• 对事件产额N(η⁻ > η⁺)和N(η⁻ < η⁺)应用探测器效应和效率修正，这些量通过公式(5)定义AFB。
• 将不对称性测量结果与下一阶微扰量子色动力学（NLO）QCD和电弱理论预测进行比较，以提取sin²θₑff。
• 通过使用多种PDF集合（CT18、MSHT20、NNPDF3.1）评估系统性不确定度，并对结果取平均以减少模型依赖性。
• 通过Z → μ⁺μ⁻事件验证动量标定，并对材料预算、PDFs以及动量展宽的函数形式进行变化分析，以检验结果的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在LHC上利用Z → μ⁺μ⁻衰变，能否实现对sin²θₑff的最精确测量，且理论不确定度更低？
• RQ2 与无分箱方法相比，将前后向不对称性按|Δη|分箱在多大程度上提升了对弱混合角的敏感性？
• RQ3 测量得到的sin²θₑff在多大程度上与全球电弱拟合结果以及先前高精度实验一致？
• RQ4 质子PDF不确定度对最终sin²θₑff确定的影响如何？在LHCb分析中如何将其最小化？

主要发现

• 测得的有效轻子弱混合角为sin²θₑff = 0.23147 ± 0.00044（统计）± 0.00005（系统）± 0.00023（理论），相比之前LHCb结果精度提升超过两倍。
• 结果与世界平均值以及全球电弱拟合预测一致，未发现显著张力。
• 与无分箱分析相比，按|Δη|分箱使对sin²θₑff的敏感性提高了14%，这是由于对高|cos θ*|事件的敏感性增强所致。
• 在不同PDF集合（CT18、MSHT20、NNPDF3.1）下结果稳健，最终结果基于三者算术平均，有效降低了模型依赖性。
• 动量标定、材料预算和PDF参数化方式带来的系统性不确定度对最终不确定度贡献可忽略不计，所有情况下sin²θₑff的偏移均小于1×10⁻⁵。
• 在有效区域（66 < mμμ < 116 GeV，2.0 < ημ < 4.5，pT,μ > 20 GeV）内使用Z → μ⁺μ⁻衰变，确保了高纯度和优异的角分辨率，这对不对称性提取至关重要。