[论文解读] Precision Measurements of Electroweak Parameters with Z Bosons at the Tevatron

A. Bodek|arXiv (Cornell University)|Dec 27, 2015

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文通过顶夸克-反顶夸克对撞中产生的双轻子事例，对有效电弱混合角 $ \sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 进行了高精度测量，并基于此对 W 玻色子质量进行了间接测定。CDF 与 D0 合作组通过应用先进的能量标定、事例加权及部分子分布函数（PDF）约束技术，将不确定度控制在 0.0005 以下，得到 $ \sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23222 \pm 0.00046$（CDF）和 $0.23146 \pm 0.00047$（D0），并获得间接 $M_W = 80.327 \pm 0.023$ GeV。该结果与标准模型一致，但与直接测量的 $M_W$ 值之间仍存在持续存在的张力。

ABSTRACT

We report on the extraction of $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z)$ and an indirect measurement of the mass of the W boson from the forward-backward asymmetry of dilepton events in the $Z$ boson mass region at the Tevatron. The data samples of $e^+e^-$ and $\\mu^+\\mu^-$ events collected by the CDF detector correspond to the full 9.4 fb$^{-1}$ run II sample and yield an effective electroweak mixing angle $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z) = 0.23222 \\pm 0.00046$. The corresponding result reported by the D0 collaboration with the full 9.4 fb$^{-1}$ $e^+e-$ sample is $\\sin^2\ heta^{\ m lept}_{\ m eff}(M_Z) = 0.23146 \\pm 0.00047$. The CDF collaboration also extracts the on-shell electroweak mixing angle $ \\sin^2 \ heta_W = 0.22401 \\pm 0.00044$ which corresponds to an indirect measurement of the W boson mass $M_W ({\ m indirect}) = 80.327 \\pm 0.023 \\;{\ m GeV}$. The quoted uncertainties include both statistical and systematic contributions.

研究动机与目标

• 通过在 Tevatron 上获得新的、具有竞争力的测量结果，解决 LEP-1 与 SLD 对 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 测量结果之间存在的 3.2σ 张力。
• 通过在 Z 玻色子峰附近双轻子事例中的前后不对称性，提升对间接 W 玻色子质量测量的精度。
• 通过实施先进的能量标定、事例加权与 PDF 约束技术，降低电弱参数提取中的系统不确定性。
• 通过将间接 $M_W$ 预测值与直接测量值进行比较，检验在已知希格斯玻色子质量 $M_H = 125.6$ GeV 条件下标准模型的一致性。
• 利用 $A_{\rm fb}$ 约束的 PDF 复本，提供一种对 PDF 不确定性抑制显著的 $\sin^2\theta_{W}$ 测量。

提出的方法

• 对μ子和电子应用了一种新型探测器能量标定技术，该技术随伪快度 $\eta$、方位角 $\phi$ 和电荷变化，有效降低了系统不确定性。
• 采用事例加权方法，通过测量 $\cos\theta$ 系数 $A_4$ 来抵消接受度与效率相关的不确定性，并引入反夸克稀释修正权重，以消除快度依赖性。
• 在 POWHEG 和 RESBOS 事件模拟中引入 Z 修正有效玻恩近似（EBA）电弱辐射修正，实现 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 与 $\sin^2\theta_W = 1 - M_W^2/M_Z^2$ 的同步提取。
• 对 PDF 复本（nnpdf3.0 nnlo）应用 $\chi^2$ 加权技术，通过降低与 $A_{\rm fb}(M)$ 数据不一致的复本权重，使 $\sin^2\theta_W$ 的 PDF 不确定性降低 20%。
• 从 Z 玻色子质量区域的双轻子事例中提取前向-后向不对称性 $A_{\rm fb}(M)$，其中 $A_{\rm fb} = 3A_4/8$，并用于约束 $\sin^2\theta_{W}$。
• 分析使用了 CDF 与 D0 的 Tevatron Run II 全部 9.4 fb$^{-1}$ 数据样本，综合考虑了统计与系统不确定度。

实验结果

研究问题

• RQ1 Tevatron 能否实现 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z)$ 测量精度低于 0.0005，以解决 LEP-1 与 SLD 测量结果之间的张力？
• RQ2 基于 $A_{\rm fb}$ 约束的 PDF 复本在多大程度上可减少 $\sin^2\theta_W$ 与 $M_W$ 的 PDF 相关不确定性？
• RQ3 在已知 $M_H = 125.6$ GeV 的前提下，双轻子不对称性测得的间接 $M_W$ 结果与直接测量值及标准模型预测相比如何？
• RQ4 先进的能量标定与加权技术是否可将系统不确定性降低至与 SLD 和 LEP-1 实验相当的水平？
• RQ5 若将 Tevatron 的 $M_W^{\rm indirect}$ 与 LHC 实验更新后的 $M_t$ 值结合，是否会加剧与标准模型预测之间的张力？

主要发现

• CDF 合作组测得 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23222 \pm 0.00046$，其中包含统计与系统不确定度的综合贡献。
• D0 合作组利用全部 9.4 fb$^{-1}$ 的 $e^+e^-$ 样本测得 $\sin^2\theta^{\rm lept}_{\rm eff}(M_Z) = 0.23146 \pm 0.00047$。
• CDF 合作组提取了壳模型下的 $\sin^2\theta_W = 0.22401 \pm 0.00044$，对应于间接 $M_W = 80.327 \pm 0.023$ GeV。
• $\chi^2$ 加权技术使 $\sin^2\theta_W$ 的 PDF 不确定性相比标准 PDF 集降低 20%。
• 间接 $M_W$ 测量结果与标准模型预测值 $M_W \approx 80.327$ GeV 一致，但当与世界平均 $M_t$ 值结合时，其结果高出标准模型预测 1.5σ。
• 结果表明，2015 年 CMS 的 $M_t$ 测量值与早期 Tevatron 的 $M_t$ 值之间存在 2σ 张力，若该结果被证实，将进一步加剧 $M_W$ 的不一致性。