[論文レビュー] Measurement of $Z\gamma \gamma $ production in pp collisions at $\sqrt{s}= 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration, Aad, Georges+2968 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS実験で得られた139 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVのpp衝突におけるZγγ生成の初回測定を提示する。12%の精度で断面積を測定し、レプトン崩壊を用いて最終状態放射線を抑制することで、有効場理論フレームワーク内での次元8演算子に対する制約が可能になった。

ABSTRACT

Cross-sections for the production of a Z boson in association with two photons are measured in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used correspond to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC. The measurements use the electron and muon decay channels of the Z boson, and a fiducial phase-space region where the photons are not radiated from the leptons. The integrated $Z( ightarrow \ell \ell )\gamma \gamma $ cross-section is measured with a precision of 12% and differential cross-sections are measured as a function of six kinematic variables of the $Z\gamma \gamma $ system. The data are compared with predictions from MC event generators which are accurate to up to next-to-leading order in QCD. The cross-section measurements are used to set limits on the coupling strengths of dimension-8 operators in the framework of an effective field theory.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるpp衝突におけるZγγ生成断面積を高精度で測定すること。
• レプトンからの光子の放射を避けるための断面積領域選択により、最終状態放射線の寄与を抑制すること。
• Zγγ系の6つの運動論的変数に関して、微分断面積を抽出すること。
• データを用いて有効場理論（EFT）アプローチにより、異常な中性四次ゲージ結合定数に対する制限を設定すること。
• Z(→ℓℓ)H(→γγ)探索およびℓℓγγ最終状態における共鳴探索における不活性背景の理解を深めること。

提案手法

• LHCラン2期中にATLAS検出器が収集した139 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 最終状態放射線を除外するための断面積領域選択を適用し、初期状態放射線および3つのオンシェルボソン生成に注目する。
• Zボソンの電子およびミューオン崩壊チャンネル（Z → ℓ⁺ℓ⁻）を用い、よりクリアな最終状態と低バックグラウンドを実現する。
• データ駆動型手法とモンテカルロシミュレーションを用いてバックグラウンドを推定し、特にジェットが光子として誤識別される状況に注目する。
• 検出器効果を補正するためのアンフォールディング手順を適用し、断面積を断面積領域で測定する。
• 結果をNLO QCD予測と比較し、次元8演算子係数へのフィッティングを通じてEFT解釈を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおけるpp衝突におけるZγγ生成の断面積は何か？
• RQ2 双レプトン系の横運動量、二光子系、および四体系の横運動量に関して、微分断面積はどのように変化するか？
• RQ3 有効場理論を用いた場合、データは異常な中性四次ゲージ結合定数をどの程度制限できるか？
• RQ4 測定された分布は、NLO QCD予測および標準模型予想とどの程度一致するか？
• RQ5 EFTフレームワーク内での次元8演算子の結合定数に対する制限は何か？

主な発見

• Z(→ℓℓ)γγの積分断面積が12%の精度で測定され、標準模型および新しい物理のための重要なベンチマークを提供した。
• E_T^γ1、E_T^γ2、p_T^ℓℓ、p_T^ℓℓγγ、m_γγ、m_ℓℓγγの関数として微分断面積が測定され、詳細な運動論的洞察が得られた。
• すべての運動論的分布において、データはNLO QCD予測と良好に一致した。
• EFTフレームワーク内での次元8演算子の結合定数に対する制限が設定され、95%信頼水準における非ユニタリゼーション限界が得られた。
• ユニタリゼーション処理を施すことで、EFT制約の解釈が向上し、新しい物理スケールに対するより頑健な境界が得られた。
• 最終状態放射線の寄与が抑制されたため、初期状態放射線および3つのオンシェルボソン生成のクリアなプローブが可能になった。