[论文解读] ResBos2 and the CDF W Mass Measurement

Joshua Isaacson, Yao Fu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 5, 2022

Scientific Research and Discoveries被引用 13

一句话总结

本文研究了在ResBos2代码中使用更高阶QCD修正（具体为N³LL+NNLO精度）是否能够解决CDF对W玻色子质量的测量值（80,433 ± 9 MeV）与标准模型预测值（80,359.1 ± 5.2 MeV）之间7σ的差异。研究发现，此类修正最多只能使CDF结果降低10 MeV，表明仅靠更高阶效应无法解释这一张力，因此该差异更可能源于其他因素，如探测器建模或PDF不确定性。

ABSTRACT

The recent CDF $W$ mass measurement of 80,433 $\pm$ 9 MeV is the most precise direct measurement. However, this result deviates from the Standard Model predicted mass of 80,359.1 $\pm$ 5.2 MeV by $7σ$. The CDF experiment used an older version of the ResBos code that was only accurate at NNLL+NLO, while the ResBos2 code is able to make predictions at N${}^3$LL+NNLO accuracy. We determine that the data-driven techniques used by CDF capture most of the higher order corrections, and using higher order corrections would result in a decrease in the value reported by CDF by at most 10 MeV.

研究动机与目标

• 评估使用ResBos2（一种N³LL+NNLO精度的部分子喷注与重求和代码）是否会影响CDF对W玻色子质量的测量结果。
• 评估在QCD中NNLO精度下改进的角系数匹配对W质量提取的影响，特别是关于Lam-Tung关系破坏的问题。
• 量化PDF不确定性在W质量确定中的作用，特别是使用CT18 NNLO PDF中优化的特征向量集。
• 比较在更高阶修正和PDF不确定性下，使用不同可观测量（m_T、p_T(ℓ) 和 p_T(ν)）进行W质量提取的敏感性。

提出的方法

• 采用ResBos2，一种下一阶下一阶下一阶对数（N³LL）重求和代码，与下一阶下一阶固定阶计算（NNLO）匹配，以提高W玻色子产生过程的QCD精度。
• 使用MCFM提供的k因子，以正确再现NNLO下的角分布，纠正原始ResBos代码未能考虑Lam-Tung关系破坏的问题。
• 对CT18 NNLO PDF误差集应用ePump优化，提取m_T分布中最重要的三对特征向量，将58个PDF误差集减少至六组，同时保留99.6%的方差。
• 计算了PDF诱导的W与Z玻色子束靶截面之间的相关性，以及M_W与PDF比值（d/u、d̄/ū、s、g）在Q = 100 GeV下的相关性。
• 分析m_T、p_T(ℓ)和p_T(ν)分布，使用优化的特征向量集进行蒙特卡洛研究，比较不同可观测量下的PDF不确定性。
• 量化了使用不同PDF集（CT18、CTEQ6M、MMHT2014）和可观测量时W质量预测的偏移，其中CT18 NNLO的中心预测值为80,385 MeV。

实验结果

研究问题

• RQ1 若改用ResBos2（N³LL+NNLO）代替旧版ResBos（NNLL+NLO），是否会使CDF对W玻色子质量的测量值降低超过10 MeV？
• RQ2 ResBos2中改进的NNLO角系数在多大程度上影响了W质量的提取，特别是在低p_T区域？
• RQ3 PDF不确定性（尤其是d、ū和g PDF）与从m_T、p_T(ℓ)和p_T(ν)分布中提取的W玻色子质量之间的相关性如何？
• RQ4 通过ePump优化得到的前三个特征向量对从m_T分布中捕获的总PDF不确定性占比是多少？
• RQ5 与m_T相比，从p_T(ℓ)或p_T(ν)中提取的M_W的PDF诱导不确定性是否更大？原因是什么？

主要发现

• 在ResBos2中引入N³LL+NNLO修正，最多只能使CDF对W玻色子质量的测量值降低10 MeV，不足以解决7σ的差异。
• ResBos2在NNLO下改进的角系数匹配正确地考虑了Lam-Tung关系的破坏，并减少了系统性偏差，但由于存在p_T(W) < 15 GeV的截断，其对M_W的影响较小。
• 通过ePump优化得到的CT18 NNLO PDF中前三个特征向量对，占m_T分布中方差的99.6%，其中EV01在接近M_W的雅可比区域占主导地位。
• M_W的PDF诱导不确定性与x ≈ 0.04处的d和d̄/ū PDF比值相关性最强，这正是TeVatron上W产生过程的典型区域。
• 从p_T(ℓ)中提取的M_W的PDF不确定性大于从m_T中提取的结果，原因在于胶子PDF的不确定性更大，这一结论得到表7的证实：CTEQ6M下分别为20.9 ± 10.2 MeV和19.0 ± 10.4 MeV。
• CT18 NNLO的中心预测值80,385 MeV与标准模型预测一致，但CDF测量值仍高出48 MeV，表明该张力无法通过更高阶QCD修正解决。