[論文レビュー] Observation of electroweak W$^+$W$^-$ pair production in association with two jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2343 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、138 fb⁻¹ のCMSデータを用いて、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、最初に電弱的W⁺W⁻対生成と2本のジェットを同時に観測したことを報告している。信号は、2つの逆符号のレプトンと、高質量で広く分離した2本のジェットを特徴とし、5.6σの有意水準と、9.1 ± 0.6 fb の標準模型予測と一致する10.2 ± 2.0 fb の断面積が測定された。

ABSTRACT

An observation is reported of the electroweak production of a W$^+$W$^−$ pair in association with two jets, with both W bosons decaying leptonically. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138fb$^{−1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13TeV, collected by the CMS detector at the CERN LHC. Events are selected by requiring exactly two opposite-sign leptons (electrons or muons) and two jets with large pseudorapidity separation and high dijet invariant mass. Events are categorized based on the flavor of the final-state leptons. A signal is observed with a significance of 5.6 standard deviations (5.2 expected) with respect to the background-only hypothesis. The measured fiducial cross section is 10.2 $±$ 2.0fb and this value is consistent with the standard model prediction of 9.1 $±$ 0.6fb.

研究の動機と目的

• 2本のジェットを伴うW⁺W⁻対の電弱的生成を観測すること。これはこれまで実験的に観測されていなかったプロセスである。
• ベクトルボソン散乱のメカニズムを調べ、正確なベクトルボソン散乱断面積の測定を通じて新しい物理をテストすること。
• 高ジェット質量と大きな準垂直距離（pseudorapidity separation）といった運動学的特徴を用いて、電弱的生成と支配的であるQCD誘導背景を区別すること。
• b-ジェットのバイトを用いた手法とデータ駆動型の制御領域を用いて、トップクォーク対（tt̄）背景を抑制すること。
• 断面積を測定し、標準模型の予測と照合することで、電弱セクターの妥当性を検証すること。

提案手法

• イベント選択には2段階のトリガー方式を採用：ハードウェアベースの高速判断であるレベル1（L1）の後に、フル再構成を行うハイレベルトリガー（HLT）が続く。
• 信号選択には、正確に2つの逆符号レプトン（e±, μ±）と、大きな準垂直距離（|Δηjj| > 2.0）および高ジェット対質量（mjj > 600 GeV）を持つ2本のジェットが必要である。
• Drell–Yan背景が少ないことから、eμ最終状態が優先される。
• Wボソン崩壊からのニュートリノを特定するために、横方向運動量の欠損（pTmiss）が用いられる。
• 背景はデータ駆動型手法で推定される：tt̄の汚染はトップイベントが豊富な制御領域で測定され、QCDおよびDrell–Yan寄与は専用の制御領域で制約される。
• 検出器効果とトリガー非効率性（特に高運動量電子の|η| > 2.5領域）は、シミュレーションにデータ由来補正係数を適用することで補正される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CMS検出器を用いて、√s = 13 TeV における電弱的W⁺W⁻生成と2本のジェットを同時に観測できるか？
• RQ2 電弱的W⁺W⁻ + ジェット生成の運動学的特徴は、QCD誘導背景およびトップクォーク対背景とどのように異なるか？
• RQ3 電弱的W⁺W⁻ + ジェット生成の測定断面積は何か？ また、標準模型の予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 データ駆動型制御領域を用いることで、tt̄背景はどの程度効果的に抑制され、正確にモデル化できるか？
• RQ5 ベクトルボソン散乱の精密測定を通じて、特にWボソン結合定数の新しい物理効果に分析はどの程度感度を有するか？

主な発見

• 電弱的W⁺W⁻ + 2本のジェット生成プロセスは、5.6σの有意水準で観測され、背景のみの期待値（5.2σ）を上回った。
• 測定された断面積は10.2 ± 2.0 fbであり、標準模型の予測値9.1 ± 0.6 fbと良好に一致した。
• 信号領域では、大きな|Δηjj|と高いmjjを持つイベントが豊富に集まり、電弱的ベクトルボソン散乱のトポロジーと整合的である。
• eμ最終状態はDrell–Yan背景が低減され、分析の感度を向上させる上で顕著な寄与を示した。
• b-ジェットのバイトとデータ駆動型制御領域を用いることで、tt̄背景は効果的に抑制され、システムティック不確かさが低減された。
• この分析は、LHCにおけるレアな電弱プロセスをCMS検出器が解像可能であることを示し、ヒッグスセクターの精密テストおよび新しい物理探索の可能性を示した。