[论文解读] Understanding PDF uncertainty on the $W$ boson mass measurements in CT18 global analysis

J. Gao, DianYu Liu+1 more|arXiv (Cornell University)|May 8, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本文研究了部分子分布函数（PDFs）对CDF和ATLAS实验中W玻色子质量测量的横质量分布的影响，发现不同PDF集合之间的差异范围超过了任一PDF集合自身的不确定性。通过在CT18全局分析中进行拉格朗日乘子扫描，识别出在中间x区域的d夸克PDF——受深度非弹性散射（DIS）和Drell-Yan数据约束——对W玻色子质量提取最为敏感，凸显了使用最新PDF以减少精确测量中理论不确定性的必要性。

ABSTRACT

We study the dependence of the transverse mass distribution of the charged lepton and the missing energies on the parton distributions (PDFs) adapted to the $W$ boson mass measurements at the CDF and ATLAS experiments. We compare the shape variations of the distribution induced by different PDFs and find that spread of predictions from different PDF sets can be much larger than the PDF uncertainty predicted by a specific PDF set. We suggest analyzing the experimental data using up-to-date PDFs for a better understanding of the PDF uncertainties in the $W$ boson mass measurements. We further carry out a series of Lagrange multiplier scans to identify the constraints on the transverse mass distribution imposed by individual data sets in the CT18 global analysis. In the case of CDF measurement, the distribution is mostly sensitive to the $d$-quark PDFs at the intermediate $x$ region that is largely constrained by the DIS and Drell-Yan data on the deuteron target, as well as the Tevatron lepton charge asymmetry data.

研究动机与目标

• 评估W玻色子质量测量对部分子分布函数（PDFs）的敏感性，特别是对横质量分布的影响。
• 量化来自单一PDF集合的PDF不确定性估计与多个PDF集合之间实际差异范围之间的差距。
• 在CT18全局分析中，识别出哪些实验数据集对影响W玻色子质量提取的PDF施加了最强约束。
• 评估理论不确定性（如尺度依赖性、强耦合常数和W玻色子宽度）在CDF测量背景下的影响。

提出的方法

• 在CDF和ATLAS实验W玻色子质量测量的背景下，比较多个现代PDF集合（CT18、MSHT20、NNPDF3.1、NNPDF4.0）的横质量分布。
• 在CT18全局PDF拟合中执行拉格朗日乘子扫描，以隔离各数据集对横质量分布施加的约束。
• 使用领先阶和下一阶PDF分析W玻色子快度和横动量分布，追踪PDF引起的形状变化。
• 使用卡方拟合验证平均横质量与提取的W玻色子质量之间的负相关性。
• 在CDF背景下评估因子化和重整化尺度、强耦合常数αs以及W玻色子宽度带来的理论不确定性。
• 应用轻子探测效率截断，并在不同PDF集合之间比较结果，以分离PDF驱动的动量空间分布偏移。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同PDF集合在CDF和ATLAS测量中如何影响W玻色子衰变产物的横质量分布？
• RQ2 不同PDF集合预测结果之间的差异范围在多大程度上超过任一PDF集合自身估计的不确定性？
• RQ3 在CT18全局分析中，哪些实验数据集对影响W玻色子质量提取的PDF施加了最强约束？
• RQ4 在CDF测量中，理论不确定性（如αs、尺度依赖性和W玻色子宽度）与实验和PDF不确定性相比如何？
• RQ5 中间x区域的d夸克PDF在塑造W玻色子快度和横质量分布中起什么作用？

主要发现

• 不同PDF集合（如CT18、MSHT20、NNPDF3.1、NNPDF4.0）对W玻色子质量预测的差异范围显著大于任一PDF集合报告的不确定性，表明对PDF相关理论不确定性的低估。
• 带电轻子与缺失能量的平均横质量与提取的W玻色子质量之间存在强烈负相关性，该关系通过卡方拟合和与实验质量偏移的直接比较均得到验证。
• 对于CDF测量，横质量分布对中间x区域的d夸克PDF最为敏感，其主要受氘核靶上的深度非弹性散射（DIS）和Drell-Yan数据，以及Tevatron轻子电荷不对称性数据约束。
• 对于ATLAS测量，对PDF最强约束来自HERA的包容式DIS数据、E866 Drell-Yan比值数据以及CMS轻子电荷不对称性数据。
• W玻色子宽度效应带来的理论不确定性在大小上与CDF测量中的完整实验不确定性相当，表明其不可忽略。
• NNPDF4.0在大x区域对d夸克PDF表现出抑制，相较于前代版本，导致反增强区（y_b > 0）的平均横动量和横质量降低，从而影响W玻色子质量的提取。