[論文レビュー] Observation of $VVZ$ production at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS検出器で得られた140 fb⁻¹のデータを用いて、$√{s} = 13$ TeVの陽子-陽子衝突において、$VVZ$（$V = W, Z$）三ボソン生成の初回観測を報告している。測定された$pp \to VVZ$の断面積は$660^{+93}_{-90}$（統計）$^{+88}_{-81}$（系）fbであり、6.4標準偏差の有意水準を示し、標準模型内でのプロセスの確認と、有効場理論による新しい物理の制約を示している。

ABSTRACT

A search for the production of three massive vector bosons, $VVZ (V=W, Z)$, in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV is performed using data with an integrated luminosity of $140$ fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Events produced in the leptonic final states $WWZ o \ellν\ellν\ell \ell$ ($\ell=e, μ$), $WZZ o \ellν\ell\ell \ell\ell$, $ZZZ o \ell\ell \ell\ell \ell\ell$, and the semileptonic final states $WWZ o qq \ellν\ell \ell$ and $WZZ o \ellνqq \ell \ell$, are analysed. The measured cross section for the $pp ightarrow VVZ$ process is $660^{+93}_{-90}( ext{stat.})^{+88}_{-81}( ext{syst.})$ fb, and the observed (expected) significance is 6.4 (4.7) standard deviations, representing the observation of $VVZ$ production. In addition, the measured cross section for the $pp ightarrow WWZ$ process is $442 \pm 94 ( ext{stat.})^{+60}_{-52}( ext{syst.})$ fb, and the observed (expected) significance is 4.4 (3.6) standard deviations, representing evidence of $WWZ$ production. The measured cross sections are consistent with the Standard Model predictions. Constraints on physics beyond the Standard Model are also derived in the effective field theory framework by setting limits on Wilson coefficients for dimension-8 operators describing anomalous quartic gauge boson couplings.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突における少なくとも1つの$Z$ボソンを含む三ボソン生成（$WWZ$、$WZZ$、$ZZZ$）を、$\sqrt{s} = 13$ TeVで観測すること。
• $VVZ$過程の生成断面積を測定し、標準模型の予測と比較すること。
• 異常な四次ゲージ結合定数の制約を通じて、標準模型を超える新しい物理の兆候を探索すること。
• $WWZ$および$WZZ$生成の信号強度パラメータを別々に抽出し、オンシェル$VVZ$生成の信号強度を抽出すること。
• 有効場理論フレームワークにおける次元8演算子のウィルソン係数に対する制限を導出すること。

提案手法

• レプトン的および半レプトン的最終状態の解析：$WWZ \to \ell\ell\ell\ell\ell\ell$、$WZZ \to \ell\ell\ell\ell\ell\ell$、$ZZZ \to \ell\ell\ell\ell\ell\ell$（$\ell = e, \mu$）。
• 各チャネルごとに訓練されたブーストドリフトツリー（BDT）判別子を用いて、信号とバックグラウンドの分離を向上させること。
• 複数チャネルのBDT出力を組み合わせたビン化された最尤フィットを用いて信号強度$\mu$を抽出すること。
• $WWZ$、$WZZ$、およびオンシェル$VVZ$生成の信号強度を別々に抽出し、後者の場合にヒッグスストラーレーションをバックグラウンドとして扱うこと。
• 次元8演算子に起因する有効場理論（EFT）寄与を最大限に感受できるように判別子を最適化すること。
• 観測断面積を標準模型の予測と比較し、EFTウィルソン係数に対する95%信頼水準の制限を導出すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\sqrt{s} = 13$ TeVにおける$pp \to VVZ$生成断面積は測定されたか？ また、標準模型の予測と一致するか？
• RQ2 データに$WWZ$および$WZZ$三ボソン最終状態の生成の証拠があるか？
• RQ3 観測データから、次元8 EFT演算子によってパrameter化された異常な四次ゲージボソン結合定数に対する制限は何か？
• RQ4 $VVZ$生成の信号強度は標準模型の期待値と比較してどうか？ 有意水準は？
• RQ5 ヒッグスストラーレーション寄与は$VVZ$信号から分離可能か？ その結果、オンシェル信号強度は何か？

主な発見

• $VVZ$生成断面積は$660^{+93}_{-90}$（統計）$^{+88}_{-81}$（系）fbとして測定され、標準模型の予測と整合的である。
• $VVZ$生成の観測有意水準は6.4標準偏差であり、このプロセスの初回観測を示している。
• $WWZ$生成の証拠は4.4標準偏差の有意水準で観測され、標準模型の予測と整合的である。
• $VVZ$生成の信号強度は$\mu = 1.00 \pm 0.16$（統計）$^{+0.13}_{-0.12}$（系）として測定され、標準模型と一致している。
• 異常な四次ゲージボソン結合定数を記述する次元8演算子のウィルソン係数に対する制限が95%信頼水準で設定された。
• 本分析は、ATLAS検出器がレアな三ボソン過程に非常に感受可能であることを示し、標準模型の電弱相互作用領域に対する厳密なテストを提供している。