[論文レビュー] Search for the exclusive $W$ boson hadronic decays $W^{\pm} o\pi^{\pm}\gamma$, $W^{\pm} o K^{\pm}\gamma$ and $W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma$ with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2943 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器が2015年から2018年までに収集した13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用いて、Wボソンの排他的ハドロン型崩壊 W± → π±γ、W± → K±γ、および W± → ρ±γ に対する最初の探索を報告する。95%信頼水準における分岐比の上限として、これまでで最も厳しい上限が得られた：B(W± → π±γ) < 1.9×10⁻⁶、B(W± → K±γ) < 1.7×10⁻⁶、B(W± → ρ±γ) < 5.2×10⁻⁶。

ABSTRACT

A search for the exclusive hadronic decays $W^{\pm} o \pi^{\pm}\gamma$, $W^{\pm} o K^{\pm}\gamma$ and $W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma$ is performed using up to $140\, ext{fb}^{-1}$ of proton-proton collisions recorded with the ATLAS detector at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\, ext{TeV}$. These rare processes provide a test bench for the quantum chromodynamics factorization formalism used to calculate cross sections at colliders, as well as a probe of $W$ boson coupling to quarks and a new way to measure the $W$ boson mass through fully reconstructed decay products. The search results in the most stringent upper limit to date on the branching fractions $\mathcal{B}(W^{\pm} o \pi^{\pm}\gamma) &lt; 1.9 imes10^{-6}$, $\mathcal{B}(W^{\pm} o K^{\pm}\gamma) &lt; 1.7 imes10^{-6}$, $\mathcal{B}(W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma) &lt; 5.2 imes10^{-6}$ at 95% confidence level.

研究の動機と目的

• Wボソンの排他的ハドロン型崩壊、特に W± → π±γ、W± → K±γ、および W± → ρ±γ の探索を目的とする。
• これらの稀な崩壊の分岐比に対して、これまでで最も厳しい実験的制約を提供することを目的とする。
• 稀なWボソン崩壊の文脈において、QCD因子化形式主義の検証を目的とする。
• 将来のコライダーでの高分解能Wボソン質量測定の手法として、これらの崩壊がどの程度利用可能かを検討することを目的とする。

提案手法

• 2015年から2018年までにATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突データを最大140 fb⁻¹まで使用した。
• 稀なハドロン型崩壊への感度を高めるために、単一のハドロンを含む最終状態を専用にトリガーした。
• 多ジェットおよび誤再構成されたZ→ee背景を正確に記述するため、非パラメトリックなバックグラウンドモデリング手法を採用した。
• ρ± → π±π⁰崩壊モードを標的にするため、光子トリガーおよびτレプトン再構成アルゴリズムを活用し、τ → π±π⁰ の25.5%の分岐比を有効に利用した。
• 信号およびバックグラウンドのモデリングに、QCDの次次-leadingオーダーで計算されたモンテカルロシミュレーション（Powheg-BoxとPythia8）を用い、検出器応答はGeant4を用いてシミュレートした。
• ハドロン-光子系のインヴァリアント質量再構成によりWボソン候補を再構成し、運動学的および位相的選別基準を適用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 W± → π±γ、W± → K±γ、および W± → ρ±γ 崩壊の分岐比に対する現在の実験的上限は何か？
• RQ2 排他的ハドロン型W崩壊は、高エネルギー物理学におけるQCD因子化形式主義の検証にどのように寄与できるか？
• RQ3 これらの稀な崩壊は、将来のコライダーでのWボソン質量測定の精度をどの程度向上させうるか？
• RQ4 多ジェットおよび誤再構成されたZ→ee事象からのバックグラウンドは、これらの稀な崩壊への感度にどのように影響するか？
• RQ5 W± → K±γおよびW± → ρ±γ 崩壊の最初の探索を可能にする、どのような革新的な実験的手法が開発されたか？

主な発見

• 本分析により、95%信頼水準におけるW± → π±γ、W± → K±γ、および W± → ρ±γ の分岐比に対する、これまでで最も厳しい上限が得られた。
• B(W± → π±γ) の上限は1.9×10⁻⁶未満であることが判明した。
• B(W± → K±γ) の上限は1.7×10⁻⁶未満であることが判明した。
• B(W± → ρ±γ) の上限は5.2×10⁻⁶未満であることが判明した。
• W± → K±γおよびW± → ρ±γ の探索は、いずれの実験でも初めての試みである。
• 結果はこれらの稀な崩壊に関する理論的予測を制約し、将来の高精度なWボソン質量測定の基盤を提供する。