[논문 리뷰] Evidence for tWZ production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in multilepton final states

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 42인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 138 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 톰 쿼크–W 보손–Z 보손(tWZ) 생성에 대한 최초의 실험적 증거를 제시한다. 다다중 렙톤 최종 상태에서 높은 신호 순도를 확보한 측정 결과, 단면적은 354 ± 54 (통계) ± 95 (계측) fb이며 통계적 유의도는 3.4σ로 나타나, 표준모형 프레임워크 내에서 tWZ 과정이 확인된다.

ABSTRACT

The first evidence for the standard model production of a top quark in association with a W boson and a Z boson is reported. The measurement is performed in multilepton final states, where the Z boson is reconstructed via its decays to electron or muon pairs and the W boson decays either to leptons or hadrons. The analysed data were recorded by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016-2018 in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The measured cross section is 354 $\pm$ 54 (stat) $\pm$ 95 (syst) fb, and corresponds to a statistical significance of 3.4 standard deviations.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 희귀 표준모형 과정인 tWZ 생성에 대한 최초의 실험적 관측을 제공하는 것.
• 다다중 렙톤 최종 상태에서 높은 민감도로 tWZ 생성의 포함 단면적을 측정하는 것.
• 운동학적 및 다변량 분석 기법을 사용하여 tWZ를 주요 배경인 ttZ와 구별하는 것.
• 효과적 장 이론 고려사항을 통해 tWZ가 표준모형을 초월한 새로운 물리의 탐색 수단으로서의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터 분석.
• 일부 또는 다수의 재구성된 렙톤(전자 또는 뮤온)을 요구하는 이중 단계 트리거 시스템을 통한 이벤트 선별.
• 톱 쿼크의 저에너지 및 고에너지 전단량운동량(pT) 영역에서 신호-배경 분리 성능을 향상시키기 위해 다변량 분석(MVA) 기법 사용.
• MADGRAPH5 aMC@NLO를 사용한 QCD에서의 다음차수 정확도(NLO) 수준에서의 신호 및 배경 과정 시뮬레이션, PYTHIA8를 통한 시뮬레이션, NNPDF3.1 PDF를 NLO 수준에서 사용.
• 특히 QCD에서의 NLO 수준에서 tWZ와 ttZ 과정 간 간섭 효과를 시뮬레이션에 통합.
• 신규 물리 탐색에 대한 민감도 향상을 위해 저pT(pT < 270 GeV) 영역과 부스트된(또는 고pT, pT > 270 GeV) 영역으로 별도로 분석 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 다다중 렙톤 최종 상태에서 √s = 13 TeV에서 tWZ 생성 과정을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 tWZ 생성의 측정 단면적은 얼마인가?
• RQ3 tWZ와 ttZ 과정 간의 간섭 효과가 신호 추출 및 배경 모델링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 부스트된 톰 쿼크 영역(pT > 270 GeV)을 포함함으로써 tWZ 최종 상태에서의 신규 물리 탐색 민감도는 어느 정도 향상되는가?

주요 결과

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 tWZ 생성에 대한 최초의 실험적 증거가 통계적 유의도 3.4 표준편차로 확립되었다.
• 측정된 tWZ 단면적은 354 ± 54 (통계) ± 95 (계측) fb이며, 표준모형 예측과 일치한다.
• Z 보손과 적어도 하나의 W 보손이 렙톤으로 붕괴하는 다다중 렙톤 최종 상태에 집중함으로써 높은 신호 순도를 확보하였다.
• 부스트된 톰 쿼크 영역(pT > 270 GeV)을 포함함으로써 효과적 장 이론의 맥락에서 신규 물리 탐색에 대한 민감도가 향상되었다.
• 특히 ttZ와 같은 주요 배경 과정은 간섭 효과를 시뮬레이션 및 분석 과정에 반영하여 철저히 모델링되었다.
• 선택 이후 신호 이벤트의 트리거 효율성이 거의 100%로 나타나 신호 후보의 손실이 최소화되었다.