[论文解读] Present and Future Electroweak Precision Measurements and the Indirect Determination of the Mass of the Higgs Boson

U. Baur, Clare, R.+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2002

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 19被引用 4

一句话总结

本文通过精确电弱观测量（特别是 $M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 和 $m_t$）对希格斯玻色子质量 ($M_H$) 进行间接测定。结合当前与未来实验的不确定度以及高阶修正的理论估计，预测在未来的对撞机（如 LHC 和 LC/GigaZ）上，$M_H$ 的相对精度可达 8% 或更高，且随着实验精度的提高，理论与参数不确定度将逐渐成为主导因素。

ABSTRACT

We discuss the experimental and theoretical uncertainties on precision electroweak observables and their relationship to the indirect constraints on the Higgs-boson mass, $\MH$, in the Standard Model (SM). The critical experimental measurements ($\MW$, $\sweff$, $\mt$, ...) are evaluated in terms of their present uncertainties and their prospects for improved precision at future colliders, and their contribution to the constraints on $\MH$. In addition, the current uncertainties of the theoretical predictions for $\MW$ and $\sweff$ due to missing higher order corrections are estimated and expectations and necessary theoretical improvements for future colliders are explored. The constraints from rare B decays are also discussed. Analysis of the present experimental and theoretical precisions yield a current upper bound on $\MH$ of $\sim 200$ GeV. Including anticipated improvements corresponding to the prospective situation at future colliders (Tevatron Run II, LHC, LC/GigaZ), we find a relative precision of about 25% to 8% (or better) is achievable in the indirect determination of $\MH$.

研究动机与目标

• 评估当前及未来在关键电弱精确观测量（$M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$、$m_t$）中的实验与理论不确定度，这些观测量对约束 $M_H$ 至关重要。
• 评估缺失的高阶修正对 $M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 理论预测的影响。
• 预测在未来的对撞机（包括 Tevatron Run II、LHC 和 LC/GigaZ）上，间接测定 $M_H$ 所能达到的精度。
• 识别为减少 $M_H$ 约束中的参数不确定度与内在不确定度所必需的关键理论与实验改进。
• 考察稀有 B 介子衰变的约束及其在 $M_H$ 全局拟合中的作用。

提出的方法

• 利用电弱精确观测量的全局拟合，在标准模型内约束 $M_H$，重点关注 $M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 和 $m_t$。
• 估算由于缺失两圈修正以及 $\Delta\alpha_{\text{had}}$ 不确定度导致的 $M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 的理论不确定度。
• 基于 Tevatron Run II、LHC 和 LC/GigaZ 的预期数据，预测未来实验不确定度，假设对 $M_W$、$\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 和 $m_t$ 的测量精度将提高。
• 评估来自 $\Delta\alpha(M_Z)$ 和 $\alpha_s(M_Z)$ 的参数不确定度，这需要在 $\sqrt{s} \leq 5$ GeV 以下改进强子截面测量。
• 将实验、理论与参数不确定度进行平方和根合并，以估算 $M_H$ 的累积精度。
• 评估 $\alpha_s(M_Z)$ 与 $\Delta\alpha(M_Z)$ 在限制 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 与 $M_W$ 精度方面的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于当前电弱精确测量数据，希格斯玻色子质量的当前上限是多少？
• RQ2 在 $M_W$ 与 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 中的实验与理论不确定度如何影响 $M_H$ 的间接测定？
• RQ3 在未来的对撞机（如 LHC 与 LC/GigaZ）上，考虑到测量精度提升与理论控制增强，$M_H$ 的精度可达到何种水平？
• RQ4 为将 $M_W$ 与 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 的内在不确定度降低至与未来实验精度相当，需要哪些理论改进？
• RQ5 在全局拟合中，$\Delta\alpha(M_Z)$ 与 $\alpha_s(M_Z)$ 的不确定度如何限制 $M_H$ 的精度？

主要发现

• 基于当前实验与理论精度，希格斯玻色子质量的当前上限约为 200 GeV。
• 在 Tevatron Run II 结束时，$M_H$ 的相对精度预计可达约 25%，在 LHC 后提升至 18%，在 LC/GigaZ 后进一步提升至 8%。
• 假设完成两圈修正并降低输入参数的不确定度，$M_W$ 与 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 的理论不确定度分别估计为 3 MeV 与 $1.7 \times 10^{-5}$。
• 为在 GigaZ 实现 8% 的 $M_H$ 精度，$\Delta\alpha(M_Z)$ 的不确定度必须降低至 $7 \times 10^{-5}$，这需要改进低能区强子截面测量。
• 若 $\delta\alpha_s(M_Z) = \pm 0.0010$ 且 $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 5 \times 10^{-5}$，则 GigaZ 上 $M_H$ 的精度可进一步提升至 7%。
• 实验不确定度 $M_Z$（$\delta M_Z = 2.1$ MeV）已成为 $\sin^2\theta_{\text{eff}}$ 精度的限制因素，贡献了 $1.4 \times 10^{-5}$ 的不确定度，且在近期预计不会显著改善。