CDF実験でのWボソン質量の精密測定佐藤構二
宇宙史セミナー筑波大学
2022/5/271

• CDF実験が、2022年4月8日にWボソン質量の測定をアップデートした。
• T.Aaltonen et.al [CDF Collaboration], “High-precision
measurement of the W boson mass with the CDF IIdetector”, Science 376 (2022) 6589, 170-176

2

新聞やテレビでも報道された

3

内容– 重い標準理論粒子の質量測定の状況– なぜWボソン質量測定は重要か– Wボソン質量の測定の現状– Tevatron加速器運転のエピソードをいくつか– CDFによる最新のWボソン質量測定– T.Aaltonen et.al [CDF Collaboration], “High-precision
measurement of the W boson mass with the CDF IIdetector”, Science 376 (2022) 6589, 170-1764標準理論の粒子発見の歴史• 青：アメリカで発見、 赤：ヨーロッパで発見。
力を媒介ハドロンを構成

1974

単一で存在

1959

1979 DESY

SLAC/BNL

1995 FNAL

1962

1977 FNAL
2000 FNAL
1983 CERN

1936

1983 CERN

1975 SLAC2012 CERN

2012年7月発見

質量の起源

5

1980年代以降の最高エネルギー加速器
Tevatron𝒑ഥ𝒑
1.8-1.96 TeV
Fermilab
USA
CDF実験
米国シカゴ郊外
W/Zボソン発見
1985
SppS
𝒑ഥ
𝒑630 GeV
CERN
Switzerland

トップクォーク発見
1990

1995

ヒッグス粒子発見
2000

LEP
e +e 91-209 GeV
CERN
Switzerland

2005

2010

2015

2020
LHC
𝒑𝒑7-14 TeV
CERN
Switzerland
ATLAS実験スイス
ジュネーブ郊外6

World Averages of Heavy Particle Masses
Prog. Theor. Exp. Phys.2020, 083C01 (2020) and 2021 update

Mass (GeV/𝒄𝟐 )Precision

Contributing
Experiments

discovery𝑊

80.387±0.016±0.02%

LEP, Tevatron, LHC

1983

𝑍

91.1876±0.0021±0.002%LEP

1983

𝑡𝑜𝑝172.76

±0.30

±0.2%

Tevatron, LHC

1995

𝐻𝑖𝑔𝑔𝑠

125.25

±0.17

±0.1%

LHC

2012

• Improving top quark mass is challenging, due to top quark engagement withstrong interaction.
• Higgs measurement still have room for improvement, both for systematic andstatistical uncertainties.
• W boson mass measurement is at ±0.02% precision.
• Measurement technique is mature, and improvement is most challenging!

7

Why W mass measurement is important?
• The electroweak gauge sector of the standard model isconstrained by precisely known parameters– 𝛼𝐸𝑀 (𝑀𝑍 ) = 1 / 127.918(18)– 𝐺𝐹 = 1.16637 1 × 10−5 GeV −2– 𝑀𝑍 = 91.1876 (21) GeV– 𝑚𝑡𝑜𝑝 = 172.89 (59) GeV– 𝑀𝐻 = 125.25 (17) GeV– sin2 𝜃𝑊 = 0.2299(43)• 𝑀𝑊 is related to these parameters.
2– 𝑀𝑊=𝜋𝛼𝐸𝑀
2𝐺𝐹 sin2 𝜃𝑊(tree level)• 𝜃𝑊 : the Weinberg mixing angle, defined byMW2co𝑠 𝜃𝑊 =MZ
8

Radiative Corrections• Radiative corrections due to heavy quark and Higgs
loops (and potential undiscovered particles).

++2Δ𝑀𝑊 ~𝑀𝑡𝑜𝑝+

Δ𝑀𝑊 ~ log 𝑀𝐻𝑖𝑔𝑔𝑠• Masses of 𝑊, 𝑡𝑜𝑝 and 𝐻𝑖𝑔𝑔𝑠 are related to each other in SM.
• W boson mass is constrained by SM Global fit:
– 𝑀𝑊 = 80.357 ± 6 MeV• Inputs include 𝑀𝑡𝑜𝑝 , 𝑀𝑍 , 𝑀𝐻 and other electroweak
measured constants.
9

Status before 2022 CDF W Mass Update• Prog.Theor.Exp.Phys.2020.083C01(2.2 fb−1 )𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑡

𝑀𝑊= 80.357 ± 6 MeV
1.7𝜎 lower than the world average
The new CDF measurement uses 8.8 fb−1 of data,
10× 4 of the previous analysis.

Tevatron Run II⚫

𝑝𝑝ҧ collisions at s = 1.96 TeV(1.8 TeV in Run I).

Run II:
Summer 2001 - Autumn 2011.
⚫
Collisions at world highest
energy until Nov 2009.
⚫ Energy frontier for ～25years!!
⚫
Two detectors (CDF and D0)
for wide range of physics
studies.
• Delivered: 12 fb-1.
– Recorded by CDF: 10 fb-1.
– Recorded by D0: 10 fb-1.
⚫

11

CDF Detector• Multipurpose detector– Top/EWK measurements, Searches for Higgs and NewPhenomena, and B physics.
• Precision tracking with silicon in 1.5 solenoid field.
• EM/Had calorimeters for e/g/jet measurement.
• Outer muon chambers.

12

LEP実験、謎のノイズ• LEP実験では、粒子エネルギーが安定しない問題が起きていた。

周長： 27km （c.f. 山手線周長：35km）
電子・陽電子衝突器
運転時期： 1989-2000
重心系エネルギー： 90-209 GeV
スイス、ジュネーブ郊外(LHC実験と同じトンネル)

13

LEP実験、謎のノイズ 2• LEP実験＝ジュネーブ郊外、山手線サイズの超大型加速器• 粒子エネルギーが安定しない問題が起きた。
• 原因は、新幹線の電流から来るノイズだった!!

14

テバトロン運転のあれこれ１• サンダーストームが多いアメリカ中西部にあるTevatron。
• 落雷でビームが失われることが頻繁に起こった。

テバトロンの運転あれこれ２
2001年8月5日

2001年5月3日
2006年10月10日

研究所全体が停電

加速器の運転が停止

2016年4月 イタチがLHCを止める！

CERNではしょっちゅうはこんなことはしていない様子。
イタチは、その後ロッテルダムの博物館で展示されているらしい。

17

テバトロン運転のあれこれ３• 2006年夏は暑かった。水草が大繁茂。
• 水草がパイプに詰まり、テバトロンの冷却水の流れが止まりそうになった。

加速器部門のミーティングの発表より：“These guys are keeping
our accelerator running!”

テバトロンのあれこれ４

スマトラ島沖地震(2004年）
2004年12月26日
マグニチュード9.3• 加速器はマイクロメータの精度でビームを運転している。
• 地球の裏側の地震からくる、微弱な振動を感知。
19

W Boson Production at the Tevatron𝑝𝑝ҧ

Quark-antiquark annihilation dominates (80%).
Parton distribution of valence quark inprotons are well understood.
𝑃𝑍 of initial partons are unknown at hadroncolliders.
••𝑃𝑇ℓ and 𝑃𝑇𝜈 carry information of 𝑀𝑊 .
Initial state QCD radiation is soft ~O(10 GeV), detected as hadronic recoil inthe calorimeter.
20

Detector Coordinates𝑝𝑝ҧ

Central Hadronic Calorimeter

Pseudo-rapidity

Central Electromagnetic Calorimeter

21

Particle measurement at CDF
Muon detectors provide
muon identification

Analysis uses events with central electron or muon ( 𝜂 < 1).
22

Collider Detector at Fermilab (CDF)23

Calorimeter Response to 𝑊 → 𝑒𝜈 Event𝑝𝑒ℓ𝑝ҧ𝜈ҧ• 𝑃𝑍 of initial partons are unknown.
• Momentum in transverse plane is conserved.
• 𝜈 does not leave hits in detector.
• 𝑃𝑇𝜈 is inferred from transverse momenta.
•𝑃𝑇𝜈 = −𝑃𝑇ℓ − 𝑢 , Recoil 𝑢 = Σ𝑖 𝐸𝑖 sin 𝜃𝑖 𝑛ෝ𝑖 = Σ𝑖 𝐸𝑇𝑖• 𝑖: all calorimeter towers except those containing leptons.

24Event Selection• Lepton selection– Online trigger: 𝑒/𝜇 with 𝑃𝑇 > 18 GeV.
– Offline selection:• 𝑒 with 𝐸𝑇 > 30 GeV, track PT > 18 GeV• 𝜇 with track 𝑃𝑇 > 30 GeV• Identification requirements (𝑒:shower shape, 𝜇: hitsin muon detector)• W boson event seletion=1 lepton, 𝑢 < 15 GeV, 𝑃𝑇 𝜈 > 30 GeV• Z boson event selection (for calibration and validation)=2 leptons with same flavor25

W and Z Data Samples# of candidate events passing event selection
channel𝑾 → ℓ𝝂

𝒁 → ℓℓelectron

1,811,700

66,180muon

2,424,486

238,534

Transverse Mass Distributions

𝑾 → 𝝁𝝂

𝑾 → 𝒆𝝂

Estimated background in 𝑊 → ℓ𝜈 samples

26

Transverse Mass Definition
Neglecting 𝑚ℓ , 𝑚𝜈 ,𝑚 ℓ, 𝜈 ~=|𝑝Ԧℓ +|𝑝Ԧ𝜈

2−𝑝Ԧℓ + 𝑝Ԧ𝜈 22 |𝑝Ԧℓ 𝑝Ԧ𝜈 − 𝑝Ԧℓ ⋅ 𝑝Ԧ𝜈 )𝑃𝑍𝜈 is unknown at hadron colliders.

Transverse mass is defined as follows:
𝑚𝑇 =2 |𝑝Ԧ𝑇ℓ 𝑝Ԧ𝑇𝜈 − 𝑝Ԧ𝑇ℓ ⋅ 𝑝Ԧ𝑇𝜈 )27

𝑀𝑊 extraction by Template Fitting• Signal samples are simulated using Monte Carlo• W (Z) boson production is simulated by RESBOS+PHOTOS
MC generator.
– generated with finely-spaced different 𝑀𝑊 settings.

• Transverse distribution shape as a function of 𝑀𝑊 = “template”.
• 𝑀𝑊 is extracted by maximum likelihood fit to data distribution, using“templates”.
Reproduction of detector response in simulation isessential to reduce systematic uncertainties!

28

𝑚 𝑇 Fit Uncertainties (MeV) from Previous
CDF W mass measurement (2.2 fb−1 )Data increases by × 4⇒ × 2 reduction of stat unc.
⇒ 8.9 fb−1 is syst. dominant!
Fine tune the alignment,materials, and response of thedetector simulation.
• 𝑒/𝜇 momentum
calibrationの例
CTEQ6.6 ⇒ NNPDF3.1• W mass measurements always dedicated lots of efforts toreduce systematic uncertainties.
– Other analyses don’t need this level of resolution.
29

Muon Momentum Measurement• Tracking chamber alignment using cosmic ray events.
• 𝐽/𝜓 → 𝜇𝜇 are used to improve geometrical modeling of
the detector (distortion, magnetic field variations,materials).
• 𝐽/𝜓 → 𝜇𝜇 events are further used to obtain momentum
𝑊𝑜𝑟𝑙𝑑 𝐴𝑣𝑒.
correction, using 𝑀𝐽/𝜓= 3096.916 ± 0.011 MeV.
Fractional Deviation of momentum(per mille)

30

Electron Momentum Measurement• Electron radiates bremsstrahlung photons in materials of tracking
system⇒ we measure electron energy with calorimeter.
•𝐸distribution in 𝑍 → 𝑒𝑒 are used to obtain special uniformity calibration,𝑝material in tracking volume, shower leakage modelling.
Non radiative 𝑒 pair

Radiative 𝑒 pairSensitive toshower leakage

sensitive to tracker
material31

Z Boson Mass Measurement• Z boson mass is measured, to check that everythingworks. to cross check with world average.
• Checked to check everything works correctly.
𝑾 → 𝝁𝝁𝑾 → 𝒆𝒆𝑀𝑍 = 91 192.0 ± 6.4𝑠𝑡𝑎𝑡 ± 4.0𝑠𝑦𝑠𝑡 MeV

𝑀𝑍 = 91 194.3 ± 13.8𝑠𝑡𝑎𝑡 ± 7.6𝑠𝑦𝑠𝑡 MeV

Good agreement with World Average 𝑀𝑍 = 91 187.6 ± 2.1 MeV

32

W mass fits
𝑀𝑊 measurement by fitting 𝑚 𝑇 , 𝑃𝑇ℓ , 𝑃𝑇𝜈 .
𝑾 → 𝝁𝝂

Mass Fit Results

𝑾 → 𝒆𝝂

Summary of Systematics

33

Comparison of Systematics
with 2.2 fb−1 analysis
2.2 fb−1

8.8 fb−134

Status before 2022 CDF W Mass Update• Prog.Theor.Exp.Phys.2020.083C01(2.2 fb−1 )𝐺𝑙𝑜𝑏𝑎𝑙 𝑓𝑖𝑡

𝑀𝑊= 80.357 ± 6 MeV
1.7𝜎 lower than the world average
The new CDF measurement uses 8.8 fb−1 of data,
35
× 4 of the previous analysis.

W Mass Status• CDF update: 𝑀𝑊 = 80 433.5 ± 9.4 MeV– More precise than all previous measurement combined.
– Tension of 7𝜎 with SM expectation.
• SM expectation: 𝑀𝑊 = 80 357 ± 6 MeV

36

backup37

Higgs mass measurements at ATLAS

38

Top Mass status±𝑠𝑡𝑎𝑡 ± 𝑠𝑦𝑠𝑡

39

Ring Rd40

ヒッグス機構
ヒッグスポテンシャル V (f) = m2f2 + lf4 ( l )現在 m2<0

ビッグバン直後 m2>0
ヒッグスポテンシャル

真空

自発的対象性の破れ（真空の相転移）真空

ヒッグス場

F1, F2は複素数（4つの自由度）

３つの自由度は、𝑊 + , 𝑊 − , 𝑍 0 の質量になった。
残った1自由度がヒッグス粒子になった。

𝑚𝐻 = 𝜆𝑣 2 = −𝜇2 , 𝑣 =−𝜇2𝜆Vacuum stability

Lower bound:
Vacuum stability
Upper bound:Purtabative validity of SM42最高エネルギー加速器
SLC
e +e 91 GeV
SLAC
USA
W/Zボソン発見
1985
SppS𝒑ഥ
𝒑630 GeV
CERN
Switzerland

Tevatron𝒑ഥ𝒑
1.8-1.96 TeV
Fermilab
USA
CDF実験
米国シカゴ郊外

LEP

LHC

トップクォーク発見
1990

1995

ヒッグス粒子発見
2000

LEP
e +e 91-209 GeV
CERN
Switzerland

2005

2010

2015

2020
LHC
𝒑𝒑
7-14 TeV
CERN
Switzerland
ATLAS実験スイス
ジュネーブ郊外43

テバトロン実験のシャットダウン• テバトロン加速器の最後のビームは2011年9月30日に止まった。

テバトロン Run II の運転状況
瞬間輝度

•••
•

瞬間輝度: 3-4  1032 cm2 s-1.
週間のデータ量 60 - 70 pb-1/week.
テバトロンRun IIの総データ: 10.4 fb-1
– CDFの取得した総データ: 8.7 fb-1.
CDFのデータ取得エフィシェンシー: ～ 85%

加速器の運転効率は10年間順調に上がり続け、CDFの運転でも大きな問題はなかった。

積算輝度＝データ量(CDF) CDFのエフィシェンシー

Comparison of fit resultswith 2.2 fb−1 analysis
2.2 fb−1

Center value increased by +44 MeV

17.5%
13.8%
7.1%
33.5%
17.3%
8.8%
Weight in Combination

8.8 fb−1

30.0%
6.7%
0.9%
34.2%
18.7%
9.5%
Weight in Combination

46

47

48

49