[論文レビュー] Studies of the Energy Dependence of Diboson Polarization Fractions and the Radiation-Amplitude-Zero Effect in WZ Production with the ATLAS Detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend+2958 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、13 TeVで観測されたWZ生成におけるエネルギー依存性を持つ二ボソン偏光分率の初回観測を報告する。特に、高横運動量（100 < pT^Z ≤ 200 GeV）領域において、二つの縦偏光ボソンを持つイベントに対して5.2σの有意性を測定した。また、WZ生成における放射振幅零（RAZ）効果の初回実験的観測も報告し、ΔY(ℓWZ)およびΔY(WZ)分布においてゼロ付近で顕著な抑制が観測された。これは標準模型予測と整合的である。

ABSTRACT

This Letter presents the first study of the energy dependence of diboson polarization fractions in $WZ→ℓνℓ′ℓ′(ℓ,ℓ′=e,μ)$ production. The dataset used corresponds to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector. Two fiducial regions with an enhanced presence of events featuring two longitudinally polarized bosons are defined. A nonzero fraction of events with two longitudinally polarized bosons is measured with an observed significance of 5.3 standard deviations in the region with 100&lt;$p_T^Z$≤200 GeV and 1.6 standard deviations in the region with $p_T^Z$&gt;200 GeV, where $p_T^Z$ is the transverse momentum of the Z boson. This Letter also reports the first study of the radiation-amplitude-zero effect. Events with two transversely polarized bosons are analyzed for the $ΔY(ℓWZ)$ and $ΔY(WZ)$ distributions defined respectively as the rapidity difference between the lepton from the W boson decay and the Z boson and the rapidity difference between the W boson and the Z boson. Significant suppression of events near zero is observed in both distributions. Unfolded $ΔY(ℓWZ)$ and $ΔY(WZ)$ distributions are also measured and compared to theoretical predictions.

研究の動機と目的

• WZ生成における二ボソン偏光分率のエネルギー依存性、特に二つの縦偏光ボソンを持つイベントの割合（f00）が高pT^Z領域でどのように変化するかを調査すること。
• WZ生成における放射振幅零（RAZ）効果を調べること。これは、標準模型で予測される量子場理論的現象であり、スピン振幅が特定の散乱角度で消えることを意味する。
• 高エネルギー二ボソンイベントにおけるWおよびZボソンの偏光状態を測定することで、電弱対称性の spontaneously broken 機構を検証すること。
• 高pT^Zおよび低pT^WZのイベントを選択することで、支配的であるTT偏光状態の寄与を低減し、希少なf00およびRAZ効果に対する感度を向上させること。

提案手法

• ATLAS検出器を用いた13 TeVプロトン-プロトン衝突の140 fb⁻¹データから、レプトン崩壊（ℓ, ℓ′ = e, μ）によるWZ → ℓνℓ′ℓ′ イベントを再構築する。
• f00が強化された2つのフィデューシャル領域を定義する：100 < pT^Z ≤ 200 GeV の領域と、pT^Z > 200 GeV の領域。これによりエネルギー依存性を調査する。
• 速さの差分分布ΔY(ℓWZ)およびΔY(WZ)を測定する。それぞれ、W崩壊レプトンとZボソン、およびWボソンとZボソン間の速さの差を定義する。
• 検出器効果を補正するためアンフォールディング技術を適用し、アンフォールディング済み分布を次元の最小作用（LO）および次次元最小作用（NLO）QCD予測と比較する。
• 電子およびミュオンの尤度ベース識別、反-kTアルゴリズム（R=0.4）を用いたジェット再構築、および粒子フロー法による失われた横運動量（E_T^miss）再構築を実施する。
• トリガー照合、レプトン分離、オーバーラップ除去を実装し、バックグラウンドを抑制し、正確なイベント選択を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WZ生成における二ボソン偏光分率f00のエネルギー依存性、特に高pT^Z領域におけるものはどうなるか？
• RQ2 WZイベントのΔY(ℓWZ)およびΔY(WZ)分布に、放射振幅零（RAZ）効果が現れるか？
• RQ3 測定された偏光分率およびRAZ分布は、次元の最小作用（LO）および次次元最小作用（NLO）QCD予測とどのように一致するか？
• RQ4 高pT^Zおよび低pT^WZのイベントを選択することで、f00およびRAZ効果に対する感度はどの程度向上するか？
• RQ5 NLO QCD補正が信号を希釈させるにもかかわらず、WZ生成においてRAZ効果を実験的に観測できるか？

主な発見

• 100 < pT^Z ≤ 200 GeVのフィデューシャル領域において、二つの縦偏光ボソンを持つイベントの非ゼロ分率（f00）が5.2標準偏差の有意性で測定された。
• pT^Z > 200 GeVの領域では1.6標準偏差の有意性が観測され、高Zボソン横運動量領域においてもf00寄与は測定可能ではあるが、有意性は低いことが示された。
• ΔY(ℓWZ)およびΔY(WZ)両分布において、ゼロ付近で顕著なイベント抑制が観測され、WZ生成における放射振幅零（RAZ）効果の初回実験的証明が得られた。
• アンフォールディング済みのΔY(ℓWZ)およびΔY(WZ)分布は理論的予測と良好に一致しており、ゲージボソン生成振幅の標準模型記述の妥当性が裏付けられた。
• f00分率は、包括的WZイベントでは5–7％であったが、高pT^Zおよび低pT^WZ領域では20–30％に増加した。これは、支配的であるTT寄与の効果的抑制を示している。
• 観測されたRAZディップは標準模型予測と整合的であり、WZ静止系における90°散乱角でゲージ対称性が特定のスピン振幅を抑制する役割を果たしていることを確認した。