[論文レビュー] Observation of gauge boson joint-polarisation states in $W^{\pm}Z$ production from $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、CERNのATLAS検出器を用いた139 fb⁻¹のデータから、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、最初に共同極化したW±Zボソン対の観測を報告する。7.1σの有意水準で共同スピン状態の分配率を測定し、f₀₀ = 0.067 ± 0.010、f₀ₜ = 0.110 ± 0.029、fₜ₀ = 0.179 ± 0.023、fₜₜ = 0.644 ± 0.032の結果を得た。これは次-leading-orderの標準模型予測と整合的である。

ABSTRACT

Measurements of joint-polarisation states of W and Z gauge bosons in W±Z production are presented. The data set used corresponds to an integrated luminosity of 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The W±Z candidate events are reconstructed using leptonic decay modes of the gauge bosons into electrons and muons. The simultaneous pair-production of longitudinally polarised vector bosons is measured for the first time with a significance of 7.1 standard deviations. The measured joint helicity fractions integrated over the fiducial region are f00=0.067±0.010, f0T=0.110±0.029, fT0=0.179±0.023 and fTT=0.644±0.032, in agreement with the next-to-leading-order Standard Model predictions. Individual helicity fractions of the W and Z bosons are also measured and found to be consistent with joint helicity fractions within the expected amounts of correlation. Both the joint and individual helicity fractions are also measured separately in W+Z and W−Z events. Inclusive and differential cross sections for several kinematic observables sensitive to polarisation are presented.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるW±Zボソン生成におけるWおよびZボソンの共同極化状態を測定すること。
• スピン相関を用いて、標準模型のゲージ対称性および電弱対称性の破れ機構をテストすること。
• 極化挙動のずれを通じて、標準模型を超える新しい物理を探る。
• 有効領域内でのスピン状態に敏感な、包括的および微分断面積を測定すること。

提案手法

• 電子およびミューオンへのレプトン崩壊を用いてW±Zイベントを再構築する。
• 共同スピン密度行列形式を用い、f₀₀、fₜₜ、f₀ₜ、fₜ₀を行列要素の線形結合として定義する。
• 再構築された運動量観測量から分配率を抽出するために、尤度に基づくフィットを適用する。
• WおよびZボソンの個々のスピン状態f₀、fₗ、fᵣの分配率を別々に測定する。
• 次-leading-orderの量子色力学予測と結果を比較する。
• スピン状態に関連する角度変数の関数として、有効領域および微分断面積を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVにおけるW±Z生成における共同極化したWおよびZボソンの観測の有意水準は何か？
• RQ2 測定された共同スピン状態分配率は、次-leading-orderの標準模型予測とどのように一致するか？
• RQ3 WおよびZボソンの個々のスピン状態分配率は、期待される相関関係内で測定された共同分配率と整合的か？
• RQ4 有効領域内でのW±Z生成の包括的および微分断面積は何か？
• RQ5 W⁺ZおよびW⁻Zイベントにおける極化に測定可能な差異は存在するか？

主な発見

• 長持ちする極化状態のWおよびZボソンの同時生成が、7.1標準偏差の有意水準で観測された。
• 測定された共同スピン状態分配率は、f₀₀ = 0.067 ± 0.010、f₀ₜ = 0.110 ± 0.029、fₜ₀ = 0.179 ± 0.023、fₜₜ = 0.644 ± 0.032であった。
• これらの共同分配率は、誤差の範囲内で次-leading-orderの標準模型予測と整合的であった。
• WおよびZボソンの個々のスピン状態分配率が測定され、期待される相関関係内で共同分配率と整合的であった。
• 有効領域内でのW±Z生成断面積が測定され、極化に敏感な角度観測量の関数として微分断面積が提示された。
• 共同および個々のスピン状態分配率において、標準模型からの顕著なずれは観測されず、弱いボソン生成の標準模型記述が支持された。