Precision measurement of the muon charge asymmetry from $W$-boson decays in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in the forward region

Dit artikel presenteert de tot nu toe meest precieze meting van de muonladingsasymmetrie afkomstig van W-bosonvervallen in proton-protonbotsingen bij een botsingsenergie van 13 TeV in het voorwaartse gebied, uitgevoerd met data van het LHCb-detector en toont uitstekende overeenkomst met voorspellingen uit perturbatieve kwantumchromodynamica.

De kern

De Muon-Asymmetrie: Een Kijkje in de Deeltjes-Keuken van CERN

Stel je voor dat je een gigantische, supersnelle race organiseert tussen twee vrachtwagens die vol zitten met onzichtbare deeltjes. Deze vrachtwagens zijn eigenlijk protonen, en ze botsen tegen elkaar aan met een snelheid die bijna die van het licht is. Dit gebeurt in de LHC (Large Hadron Collider) bij CERN in Zwitserland.

Het team van LHCb (een van de grote "kijkers" of detectoren bij CERN) heeft een nieuw, heel precies verslag gemaakt van wat er gebeurt tijdens deze botsingen. Ze kijken specifiek naar een bepaald type deeltje dat vrijkomt: de muon.

Hier is wat ze hebben ontdekt, vertaald in simpele taal:

1. Het Grote Onbalans-Spel

In de natuurkunde zijn er twee soorten ladingen: positief (+) en negatief (-).

• Een proton (de vrachtwagen) bestaat uit drie stukjes: twee "up"-stukjes en één "down"-stukje.
• Wanneer deze protonen botsen, ontstaan er soms W-bosonen. Dit zijn zware deeltjes die heel snel weer uit elkaar vallen in een muon en een neutrino.

Omdat er in de protonen meer "up"-stukjes zijn dan "down"-stukjes, ontstaan er vaker W-bosonen met een positieve lading dan met een negatieve lading.

• Positieve W → valt uit elkaar in een positieve muon (+).
• Negatieve W → valt uit elkaar in een negatieve muon (-).

Dit betekent dat er in de botsing meer positieve muons dan negatieve muons zijn. Dit noemen we een asymmetrie (een onbalans). Het is alsof je een bak met rode en blauwe balletjes hebt, maar er zitten er veel meer rode dan blauwe.

2. De "Voorste" Kijker

De meeste andere detectoren bij CERN kijken naar het midden van de botsing. De LHCb-detectoren kijken echter specifiek naar de voorkant (de "forward region").

• Waarom? De deeltjes die naar voren vliegen, vertellen ons iets heel belangrijks over de "ingrediënten" van de protonen. Het is alsof je een taart hebt en je wilt weten precies welke bloemsoorten erin zitten. Door naar de deeltjes aan de zijkant te kijken, kunnen wetenschappers de verdeling van de kleine bouwstenen (quarks) in het proton heel precies in kaart brengen.

3. De Meting: Een Scherpe Foto

In dit nieuwe onderzoek hebben ze gekeken naar data uit 2016, 2017 en 2018. Ze hebben ongeveer 5,1 biljoen botsingen (fb⁻¹) geanalyseerd. Dat is een enorm aantal!

Ze hebben gekeken naar muons die:

• Een bepaalde snelheid hebben (tussen 25 en 55 GeV).
• In een specifiek hoekje vliegen (tussen 2,0 en 4,5 in hun "pseudorapidity", wat een manier is om de hoek te meten).

Het resultaat? Ze hebben de verhouding tussen positieve en negatieve muons gemeten met een precisie die nog nooit eerder is gehaald in dit specifieke gebied.

4. De Theorie vs. De Werkelijkheid

Wetenschappers hebben computersimulaties (theorieën) die voorspellen hoe deze asymmetrie eruit zou moeten zien. Deze simulaties zijn gebaseerd op de regels van de kwantummechanica en de sterke kernkracht (QCD).

• Het nieuws: De metingen van LHCb komen perfect overeen met de voorspellingen van de computers.
• De betekenis: Dit is een groot succes. Het betekent dat onze theorieën over hoe deeltjes werken en hoe protonen zijn opgebouwd, kloppen. Het is alsof je een recept voor een taart hebt, je de taart bakt, en hij smaakt precies zoals de theorie voorspelde.

5. Waarom is dit belangrijk?

Je zou kunnen vragen: "Wie zit er te wachten op een lijstje met muon-tellingen?"

Het antwoord is: Iedereen die de basis van ons universum wil begrijpen.
Deze metingen helpen wetenschappers om de Parton Distributie Functies (PDF's) te verbeteren. Dat is een ingewikkeld woord voor "de kaart van de protonen".

• Als we weten precies hoe de quarks (de bouwstenen) in een proton zitten, kunnen we beter voorspellen wat er gebeurt bij nieuwe, nog krachtigere botsingen in de toekomst.
• Het helpt ons ook om te zoeken naar nieuwe natuurkunde. Als de metingen niet hadden gepast bij de theorie, zou dat betekenen dat er iets onbekends of "magisch" is dat we nog niet begrijpen. Omdat ze wel passen, weten we dat we op de goede weg zijn, maar we moeten nu nog scherper kijken om de uitzonderingen te vinden.

Samenvattend

De LHCb-collaboratie heeft een zeer nauwkeurige foto gemaakt van de onbalans tussen positieve en negatieve muons in de voorkant van de deeltjesbotsingen. Het is een bewijs dat onze huidige kennis van de deeltjeswereld (de "standaardmodel") nog steeds heel sterk is, en het geeft ons een betere kaart om de bouwstenen van het universum te begrijpen.

Het is alsof ze de perfecte weegschaal hebben gevonden om te zien of de "recepten" van de natuur precies kloppen. En tot nu toe: ja, ze kloppen.

Technische samenvatting

Probleemstelling en Doel

Deeltjesfysica is afhankelijk van nauwkeurige kennis van de parton-distributiefuncties (PDF's) van het proton, die beschrijven hoe de impuls van het proton wordt verdeeld over zijn constituenten (quarks en gluonen). Vooral de verdeling van lichte quarks (u, d, s) en hun antiquarks is cruciaal, maar blijft een bron van onzekerheid in globale PDF-analyses.

De ladingasymmetrie van muonen die ontstaan uit het verval van W-bosonen ($W \to \mu\nu$) is een uiterst gevoelige probe voor deze PDF's. Omdat het proton twee valentie-u-quarks en één valentie-d-quark bevat, worden $W^+$-bosonen vaker geproduceerd dan $W^-$-bosonen bij de Large Hadron Collider (LHC). Dit leidt tot een meetbare asymmetrie in de pseudorapidity-verdeling ($\eta$) van de uiteindelijke geladen leptonen.

Het doel van dit paper is het presenteren van de precisie-meeting van deze muon-ladingasymmetrie in het voorwaartse gebied (forward region) bij een botsingsenergie van $\sqrt{s} = 13$ TeV. Metingen in dit gebied zijn uniek omdat ze gevoelig zijn voor PDF's bij zowel kleine als grote Bjorken-$x$ waarden, wat essentieel is voor het interpreteren van precisie-metingen en het zoeken naar nieuwe fysica.

Methodologie

Data en Detector:

• De analyse maakt gebruik van data verzameld door de LHCb-detector tijdens de looptijden van 2016, 2017 en 2018.
• De geïntegreerde luminositeit bedraagt 5,1 fb⁻¹.
• De LHCb is een enkel-arm spectrometer die het pseudorapidity-bereik $2 < \eta < 5$ bestrijkt.
• De meting focust op muonen met een transversale impuls ($p_T$) tussen 25 en 55 GeV en een pseudorapidity ($\eta_\mu$) tussen 2,0 en 4,5.

Selectie en Reconstructie:

• Kandidaat-$W \to \mu\nu$-vervallen worden geïdentificeerd op basis van muonen met een relatieve impulsonzekerheid < 6%, een goede track-fit-kwaliteit en consistentie met het primaire botsingspunt (PV).
• Een isolatiesnede wordt toegepast (som van $p_T$ van andere deeltjes binnen $\Delta R < 0,5$ moet < 3 GeV zijn) om achtergrond te onderdrukken.
• Een Z-boson veto wordt gebruikt om gebeurtenissen uit $Z \to \mu\mu$-vervallen uit te sluiten.
• Na selectie blijven ongeveer $6,3 \times 10^6$ $W^+$- en $4,4 \times 10^6$ $W^-$-kandidaten over, met een zuiverheid van respectievelijk ~85% en ~80%.

Analyse en Correcties:

• De asymmetrie $A(\eta_\mu)$ wordt berekend als het verschil gedeeld door de som van de differentieel doorsneden voor $W^+$ en $W^-$. De geïntegreerde luminositeit valt hierbij weg, wat een belangrijke systematische onzekerheid elimineert.
• Simulatie: Gebruikmakend van Pythia (LO) gewogen naar NNLO-berekeningen via DYTurbo, en Geant4 voor detectorrespons.
• Efficiëntiecorrecties: De reconstructie- en trigger-efficiënties worden bepaald met de "tag-and-probe" methode op $Z \to \mu\mu$ en $\Upsilon(1S) \to \mu\mu$-data.
• Achtergrond: De belangrijkste achtergrond bestaat uit hadronen die verkeerd worden geïdentificeerd als muonen. Deze worden gemodelleerd met simulatie, gecorrigeerd op basis van data.
• Systematische onzekerheden: Deze omvatten onzekerheden in de reconstructie-efficiëntie, generator-modellering (schaalvariaties, PDF-variaties met MSHT20, NNPDF31/40, CT18), smearing-modellen voor impuls, en QCD-achtergrondmodellering.

Statistische Methode:

• Er wordt een templat-gebaseerde binned likelihood-fit uitgevoerd voor elke lading van het W-boson in 18 binning-intervallen van $\eta_\mu$.
• De signalen en QCD-achtergronden worden als vrije parameters behandeld, terwijl electroweak en zware-flavor bijdragen vast worden gezet op theorievoorspellingen.

Belangrijkste Resultaten

1. Nieuwe Precisie: De studie levert de precisiefste bepaling van de muon-ladingasymmetrie in het voorwaartse gebied tot nu toe. De meting is uitgevoerd met een fijnere binning (18 intervallen) dan eerdere LHCb-resultaten.
2. Overeenkomst met Theorie: De gemeten asymmetrie toont uitstekende overeenkomst met voorspellingen op Next-to-Next-to-Leading Order (NNLO) in perturbatieve Quantum Chromodynamica (QCD). De theorievoorspellingen zijn gebaseerd op generators zoals Powheg en ResBos 2, gecombineerd met verschillende PDF-zetsels (CT18, MSHT20, NNPDF40).
3. Data vs. Theorie:
   • De experimentele onzekerheden zijn vergelijkbaar in grootte met de theoretische onzekerheden (voornamelijk afkomstig van PDF-variabiliteit en schaalafhankelijkheid).
   • In het bereik $2.0 < \eta_\mu < 4.5$ varieert de asymmetrie van ongeveer +214 (bij lage $\eta$) tot -177 (bij hoge $\eta$), wat de verwachte trend van de quark-distributie weerspiegelt.
4. Onzekerheidsbudget: De totale systematische onzekerheid is over het algemeen kleiner dan of vergelijkbaar met de statistische onzekerheid, hoewel deze toeneemt bij de uiterste randen van het $\eta$-bereik (vooral boven $\eta = 4,0$).

Bijdragen en Significatie

• Beperking van PDF's: Dit resultaat biedt cruciale experimentele beperkingen voor de globale fitting van proton-PDF's, specifiek in het Bjorken-$x$-bereik van $10^{-4} < x < 10^{-1}$. Het vult de metingen van ATLAS en CMS aan, die zich meer richten op het centrale gebied.
• Validatie van QCD: De uitstekende overeenkomst met NNLO-berekeningen bevestigt de geldigheid van de huidige theoretische modellen voor W-bosonproductie in het voorwaartse gebied.
• Toekomstige Fysica: De hoge precisie en de beschikbaarheid van de volledige covariantiematrix (in de bijlage) maken deze data direct bruikbaar voor toekomstige PDF-bepalingen. Dit is essentieel voor het interpreteren van toekomstige metingen bij de LHC en voor het zoeken naar afwijkingen die op nieuwe fysica zouden kunnen wijzen.
• Technische Vooruitgang: Het paper demonstreert de capaciteit van LHCb om complexe achtergronden te beheersen en systematische fouten (zoals ladingafhankelijke krommingbias) effectief te corrigeren, zelfs in het complexe voorwaartse gebied.

Kortom, dit paper markeert een mijlpaal in de precisiefysica bij de LHC, waarbij de LHCb-experimenten een unieke en onmisbare rol spelen in het verfijnen van ons begrip van de fundamentele samenstelling van de materie.