[論文レビュー] Observation of Same-Sign WW Production from Double Parton Scattering in Proton-Proton Collisions at √s =13 TeV

CMS 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、13 TeVの陽子-陽子衝突において、138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、二重パートン散乱（DPS）を介した同一スピンのWボソン対生成の初回観測を報告している。同一スピンのW±W±生成の測定断面積は80.7 ± 11.2（統計）⁺⁹.⁵₋₈.₆（系誤差） ±12.1（モデル）fbであり、背景からの有意水準は6.2標準偏差に達する。

ABSTRACT

The first observation of the production of W^{±}W^{±} bosons from double parton scattering processes using same-sign electron-muon and dimuon events in proton-proton collisions is reported. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb^{-1} recorded at a center-of-mass energy of 13 TeV using the CMS detector at the CERN LHC. Multivariate discriminants are used to distinguish the signal process from the main backgrounds. A binned maximum likelihood fit is performed to extract the signal cross section. The measured cross section for production of same-sign W bosons decaying leptonically is 80.7±11.2(stat) _{-8.6}^{+9.5}(syst)±12.1(model) fb, whereas the measured fiducial cross section is 6.28±0.81(stat)±0.69(syst)±0.37(model) fb. The observed significance of the signal is 6.2 standard deviations above the background-only hypothesis.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における二重パートン散乱（DPS）過程の観測を通じて、陽子内の横方向構造およびパートン相関に関する知見を提供すること。
• 単一パートン散乱では極めて抑制されるがDPSでは強化される同一スピンのW±W±ボソン対生成断面積の測定。
• 特に同一スピンの電子-ミューオンおよびジミューオン最終状態において、DPS信号の感度を向上させるために分析戦略を最適化すること。
• 特に二重パートン分布関数（dPDFs）を組み込んだ理論的モデルを実験データを用いて検証すること。
• dielectron最終状態を除外し、レプトン識別および分離基準を精緻化することで、バックグラウンド寄与を低減すること。

提案手法

• 主にDrell-Yanおよびトップクォーク過程を含む主要なバックグラウンドと区別するため、多次元識別子手法を用いた。
• 13 TeVで取得した138 fb⁻¹の統合した放射能に応じて、信号断面積を抽出するためにビン化された最尤フィットを実施した。
• レプトンが主頂点から起因すること、およびレプトン分離が満たされることを要件とする運動量およびトポロジー選別基準を適用した。
• トラッカー、ECAL、HCAL、ミューオン検出器からの情報を統合して、すべての粒子を再構築するための粒子フローアルゴリズムを使用した。
• 高運動量レプトンを有するイベントを効率的に選別するため、二段階のトリガーシステム（L1およびハイレベルトリガー）を採用した。
• トラックとエネルギーの一致およびブレムストラール抑制を統合した多変量解析（MVA）を用いて、レプトン識別をキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVの陽子-陽子衝突において、二重パートン散乱を介した同一スピンのW±W±生成は、実験的に観測可能か？
• RQ2 DPSメカニズムにおける同一スピンWボソン対生成の測定断面積は何か？
• RQ3 選択された最終状態において、信号はバックグラウンドのみの仮説に対してどの程度有意か？
• RQ4 二重パートン散乱の理論的モデル、特にdPDFsを含むもの、は観測データをどの程度よく記述するか？
• RQ5 特にdielectron最終状態を除外することで最適化された分析戦略は、DPS信号の感度をどの程度向上させるか？

主な発見

• 同一スピンのW±W±生成が二重パートン散乱を介して、バックグラウンドのみの仮説に対して6.2標準偏差の有意水準で、初回の実験的観測に成功した。
• 同一スピンのW±W±生成の全断面積は80.7 ± 11.2（統計）⁺⁹.⁵₋₈.₆（系誤差） ±12.1（モデル）fbとして測定された。
• 再構築されたレプトンが含まれる位相空間に制限されたフィダシアル断面積は、6.28 ± 0.81（統計） ± 0.69（系誤差） ± 0.37（モデル）fbとして測定された。
• 信号の有意水準は5σの発見基準を上回り、この最終状態におけるDPSの観測が確認された。
• dielectron最終状態のバックグラウンドが高いため、これを除外するように最適化された分析戦略により、信号感度が顕著に向上した。
• 結果は、二重パートン分布関数（dPDFs）に基づく理論的予測と整合しており、dShowerをDPS過程の信頼できるモンテカルロ生成器として使用することが支持された。