[論文レビュー] Precision measurement of the Z boson invisible width in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2351 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、LHCのCMS実験で収集した13 TeVのpp衝突データ（36.3 fb⁻¹）を用いて、ハドロン衝突型加速器でZボソンの非可視幅の最初の直接測定を報告する。Z+jetsイベントにおけるZ→ννとZ→ℓℓ（ℓ = e, μ）の崩壊の運動量分布を比較することで、非可視幅は523 ± 3（統計）± 16（系誤差）MeVと測定された。これは現在までで最も精度の高い直接測定であり、最も良いLEPの間接的結果と同等の性能を示している。

ABSTRACT

A precise measurement of the invisible width of the Z boson produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented using data recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. The result is obtained from a simultaneous fit to kinematic distributions for two data samples of Z boson plus jets: one dominated by Z boson decays to invisible particles and the other by Z boson decays to muon and electron pairs. The invisible width is measured to be 523 $\pm$ 3 (stat) $\pm$ 16 (syst) MeV. This result is the first precise measurement of the invisible width of the Z boson at a hadron collider, and is the single most precise direct measurement to date, competitive with the combined result of the direct measurements from the LEP experiments.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突型加速器、特に√s = 13 TeVでZボソンの非可視幅の最初の直接測定を実施すること。
• 非可視幅の高精度測定を通じて、標準模型が予測する軽いニュートリノ種の数を検証すること。
• 直接測定における総誤差を低減し、間接的手法とは異なる新しい物理的状況に敏感な可能性を有する。
• Z→ννとZ→ℓℓ崩壊の運動量的類似性を活用し、Z+jetsデータの同時フィットによって非可視幅を抽出すること。

提案手法

• 電子、ミュオン、ジェット、欠落横断運動量を再構築および識別するための粒子フローアルゴリズムの使用。
• R = 0.4を用いたアンチ-kTアルゴリズムを用いて再構築された粒子からジェットを生成し、その後ジェットエネルギースケールおよびエネルギー分解能補正を施す。
• 2つのデータサンプルの運動量分布を同時にフィットする：1つは大運動量および欠落横断運動量を介してZ→νν崩壊で豊かにされたもの、もう1つはe, μペアを介してZ→ℓℓ崩壊で豊かにされたもの。
• 分岐比の比を用いた式により非可視幅を抽出する：Γ(Z→νν) = [σ(Z+jets)B(Z→νν)/σ(Z+jets)B(Z→ℓℓ)] × Γ(Z→ℓℓ)、ここでΓ(Z→ℓℓ)は可視崩壊サンプルから既知である。
• Z+jets断面積および測定済みの分岐比を用いて非可視幅を推定し、系統的誤差は専用の制御領域およびシミュレーションの妥当性検証を通じて評価する。
• Z+ジェットおよびダイジェットイベントにおける運動量バランスを用いたイン・サイトジェットエネルギースケール補正を適用し、シミュレーションとデータの差を最小限に抑える。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeVのpp衝突におけるZボソンの非可視幅の正確な値は何か？これはハドロン衝突型加速器で初めて直接測定された。
• RQ2 この直接測定結果は、間接的LEP結果および標準模型の予測と比較してどうなるか？
• RQ3 Z→ννとZ→ℓℓ崩壊の運動量的類似性を活用して、ハドロン衝突型環境でも高精度で非可視幅を抽出できるか？
• RQ4 この直接測定は、追加の軽いニュートリノ種や弱く相互作用する粒子を含む新しい物理の状況に対して、どの程度感度を有するか？

主な発見

• Zボソンの非可視幅は523 ± 3（統計）± 16（系統誤差）MeVと測定され、これまでで最も精度の高い直接測定結果である。
• この結果は、LEP実験の統合された間接的測定結果（499.0 ± 1.5 MeV）と同等の性能を示している。
• 測定は、LHCのCMS検出器が収集した13 TeVのpp衝突データの積分流量36.3 fb⁻¹に基づいている。
• 非可視崩壊と電荷を帯びたレプトン崩壊で豊かにされたZ+jetsサンプルの同時フィットにより、運動量的類似性を活用した非可視幅の信頼性の高い抽出が可能になった。
• 系統的誤差は主にジェットエネルギースケールおよび分解能補正に起因し、総系統誤差は16 MeVであった。
• この結果は、Zボソンに結合する軽いニュートリノ種の数を制限し、将来のZボソン非可視崩壊における新しい物理探索のベンチマークを提供する。