[论文解读] Theoretical and Experimental Status of the Indirect Higgs Boson Mass Determination in the Standard Model

U. Baur, R. Clare+5 more|ArXiv.org|Nov 23, 2001

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 21被引用 6

一句话总结

本文利用电弱精确测量（重点关注 $M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$）对标准模型中希格斯玻色子质量 ($M_H$) 的间接确定进行了评估。当前理论不确定度估计为 $\delta M_W \approx 7$ MeV 和 $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$，并预测具备 GigaZ 能力的直线对撞机可实现约 8% 的 $M_H$ 确定相对精度，当前 95% 置信水平上限为 $M_H < 196$ GeV。

ABSTRACT

The impact of theoretical and experimental uncertainties on the indirect determination of the Higgs boson mass, MH, in the Standard Model (SM) is discussed. Special emphasis is put on the electroweak precision observables MW (the W boson mass) and sin^2(theta_eff) (the effective leptonic mixing angle). The current uncertainties of the theoretical predictions for MW and sin^2(theta_eff) due to missing higher order corrections are conservatively estimated to delta MW \approx 7 MeV and delta sin^2(theta_eff) \approx 7 x 10^-5 . Expectations and necessary theoretical improvements for future colliders are explored. Results for the indirect MH determination are presented based on the present experimental and theoretical precisions as well as on improvements corresponding to the prospective situation at future colliders. The treatment of the different future colliders is done in a uniform way in order to allow for a direct comparison of the accuracies that can be reached. Taking all experimental, theoretical, and parametric uncertainties into account, a current upper bound on MH of \sim 200 GeV is obtained. Furthermore we find in a conservative approach that a Linear Collider with GigaZ capabilities can achieve a relative precision of about 8% (or better) in the indirect determination of MH.

研究动机与目标

• 评估利用标准模型中电弱精确测量间接确定 $M_H$ 的当前与未来精度。
• 量化理论不确定度（特别是缺失高阶修正）对 $M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 的影响。
• 预测未来对撞机（包括 Tevatron、LHC 和具备 GigaZ 能力的直线对撞机）在 $M_H$ 确定中的可实现精度。
• 评估实验、理论与参数不确定度在约束 $M_H$ 时的相互作用。

提出的方法

• 通过 $\log M_H$ 的 $\Delta\chi^2$ 函数进行电弱精确测量的全局拟合，以推导置信区间。
• 通过缺失高阶修正估算 $M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 的理论不确定度，保守设定为 $\delta M_W \approx 7$ MeV 和 $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$。
• 对各类对撞机的未来对撞机预测采用统一建模，以实现精度水平的直接比较。
• 包含来自 $\Delta\alpha(M_Z)$、$m_t$ 和 $\alpha_s(M_Z)$ 的参数不确定度，未来估算中假设 $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 7\times10^{-5}$。
• 理论改进通过降低二阶微扰修正的不确定度及改进强子真空极化估计来建模。
• 通过平方和方式计算 $M_H$ 的累积不确定度，综合实验、理论与参数误差。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于电弱精确测量的间接约束，当前希格斯玻色子质量 $M_H$ 的上限是多少？
• RQ2 $M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 的理论不确定度如何影响 $M_H$ 的间接确定？
• RQ3 未来对撞机（特别是具备 GigaZ 能力的直线对撞机）在 $M_H$ 确定中可实现多高的精度？
• RQ4 参数不确定度（尤其是来自 $\Delta\alpha(M_Z)$ 和 $m_t$）如何限制 $M_H$ 间接确定的精度？
• RQ5 为确保理论不确定度不主导未来高精度实验中的误差，需在理论上实现哪些改进？

主要发现

• 基于电弱精确数据的全局拟合，当前 95% 置信水平下希格斯玻色子质量上限为 $M_H < 196$ GeV。
• 由于缺失高阶修正，$M_W$ 和 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 的理论不确定度保守估计分别为 $\delta M_W \approx 7$ MeV 和 $\delta\sin^2\theta_{\mathrm{eff}} \approx 7\times10^{-5}$。
• 具备 GigaZ 能力的直线对撞机预计可实现约 8% 的 $M_H$ 间接确定相对精度，前提是理论与参数不确定度得到改善。
• 在相同相对实验精度下，有效轻子混合角 $\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 对 $M_H$ 的敏感度高于 $M_W$，在 $M_H \approx 115$ GeV 时敏感度增强因子达 3.1。
• 未来理论精度的提升——特别是完整二阶微扰修正与 $\Delta\alpha(M_Z)$ 不确定度的降低——对确保理论不确定度不主导 GigaZ 实验的精度至关重要。
• 在 $\delta\Delta\alpha(M_Z) = 7\times10^{-5}$ 且 $\alpha_s(M_Z)$ 得到改善的条件下，$\sin^2\theta_{\mathrm{eff}}$ 的参数不确定度可降低至 $2.5\times10^{-5}$，从而限制其对整体 $M_H$ 不确定度的贡献。