[论文解读] Probing the weak mixing angle at high energies at the LHC and HL-LHC

S. Amoroso, Mauro Chiesa+5 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文通过在LHC和HL-LHC的高能质子-质子碰撞中使用全NLO电弱修正，提出了一种在修改的最小反常（MS）方案下对电弱混合角运行行为进行高精度探测的方法。通过在√s = 13.6 TeV下以全NLO电弱精度和混合重整化方案进行模拟，结果表明，HL-LHC在mℓℓ = 1000 GeV时可将sin²θMS_W(μ)的测量精度达到1.9%，在mℓℓ = 3250 GeV时为3.5%，主要受限于部分子分布函数（PDF）的不确定性。

ABSTRACT

Measurements of neutral current Drell-Yan production at large invariant dilepton masses can be used to test the energy scale dependence (running) of the electroweak mixing angle. In this work, we make use of a novel implementation of the full next-to-leading order electroweak radiative corrections to the Drell-Yan process using the $\overline{\mathrm{MS}}$ renormalization scheme for the electroweak mixing angle. The potential of future analyses using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13.6~\mathrm{TeV}$ in the Run 3 and High-Luminosity phases of the LHC is explored. In this way, the Standard Model predictions for the $\overline{\mathrm{MS}}$ running at $\mathrm{TeV}$ scales can be probed.

研究动机与目标

• 研究LHC上高质心能量Drell-Yan过程对MS方案下电弱混合角运行行为的敏感性。
• 评估Run 3和HL-LHC数据在探测标准模型预测的sin²θMS_W(μ)能量尺度依赖性方面的潜力。
• 评估理论不确定性（特别是部分子分布函数PDF、QCD以及缺失高阶修正）对sin²θMS_W(μ)敏感性的影响。
• 首次基于全NLO电弱修正而非LO近似与对数领先项运行，提供直接的敏感性研究。

提出的方法

• 本研究在POWHEG-BOX-V2蒙特卡洛事件生成器中实现了全NLO电弱修正的新方法，采用混合重整化方案：αMS_EM(μ)和sin²θMS_W(μ)采用MS方案，mZ采用壳模型方案。
• 对三重微分截面进行模拟，作为轻子对质量（mℓℓ）、快度（yℓℓ）和Collins-Soper角（θCS）的函数，共设六档mℓℓ、六档|yℓℓ|和两档cosθCS。
• 在标准模型假设下生成截面的伪数据，对每个mℓℓ区间施加sin²θMS_W(μ)的变化以模拟敏感性。
• 使用xFitter工具进行χ²最小化拟合，将统计误差、实验误差、PDF、QCD和电弱理论不确定性作为干扰参数纳入。
• 通过拟合伪数据并测量每个区间提取的sin²θMS_W(μ)变化的不确定性，获得敏感性δ sin²θMS_W(μ)。
• 通过使用NNPDF31、NNPDF40、MSHT20、CT18A和ABMP16等PDF集（含与不含光子PDF），测试PDF集依赖性，以评估不确定性的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 LHC和HL-LHC的高质心能量Drell-Yan过程能否探测TeV量级能量下sin²θMS_W(μ)的运行行为？
• RQ2 在使用全NLO电弱修正的前提下，对mℓℓ > 1 TeV区间内sin²θMS_W(μ)变化的预期敏感性如何？
• RQ3 PDF不确定性如何影响高质心能量Drell-Yan过程中对运行混合角的敏感性？
• RQ4 与LO研究相比，HL-LHC场景在探测弱混合角MS运行行为方面相比Run 3有何改进？
• RQ5 不同PDF集在多大程度上改变对sin²θMS_W(μ)敏感性的估计？

主要发现

• HL-LHC在mℓℓ = 1000 GeV时预计可实现δ sin²θMS_W(μ)的敏感性为1.9%，在mℓℓ = 3250 GeV时提升至3.5%。
• Run 3预计在mℓℓ = 1000 GeV时敏感性为2.3%，在mℓℓ = 3250 GeV时为6.6%。
• 敏感性中最大的不确定性来源是PDF，其贡献在最高mℓℓ区间可达50%的变动，具体取决于所用PDF集。
• 无论是否包含光子PDF，PDF不确定性水平相当，表明光子贡献对敏感性估计无显著影响。
• 本研究证明，全NLO电弱修正对准确估计敏感性至关重要，而LO近似可能低估真实敏感性。
• 结果表明，HL-LHC可在高能标下以百分之一量级的精度探测标准模型对sin²θMS_W(μ)运行的预测，为标准模型电弱 sector 提供严格检验。