[논문 리뷰] Measurement of exclusive $γγ ightarrow W^+W^-$ production and search for exclusive Higgs boson production in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 8$ TeV using the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 13.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 확보한 20.2 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서의 $pp$ 충돌에서 배제적 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 생성과 배제적 힉스 보손 생성을 위한 탐색을 제시한다. $W^+W^-$ 생성에서 표준모형과 일치하는 3.0$\sigma$ 초과를 관측하였으며, 획득한 단면적은 $6.9 \pm 2.2\text{ (통계)} \pm 1.4\text{ (계측)}$ fb로 측정하였고, 비정상적인 4차 가우지 상호작용 촉매 및 배제적 힉스 생성에 대해 95% 신뢰수준의 한계를 설정하였다.

ABSTRACT

Searches for exclusively produced $W$ boson pairs in the process $pp(γγ) ightarrow pW^+W^-p$ and exclusively produced Higgs boson in the process $pp(gg) ightarrow pHp$ have been performed using $e^{\pm}μ^{\mp}$ final states. These measurements use 20.2 fb$^{-1}$ of $pp$ collisions collected by the ATLAS experiment at a center-of-mass energy $\sqrt{s}=8$ TeV at the LHC. Exclusive production of $W^+W^-$ consistent with the Standard Model prediction is found with 3.0$σ$ significance. The exclusive $W^+W^-$ production cross-section is determined to be $σ(γγ ightarrow W^{+}W^{-} ightarrow e^{\pm}μ^{\mp} X) = 6.9 \pm 2.2 (\mathrm{stat.}) \pm 1.4 (\mathrm{sys.})$ fb, in agreement with the Standard Model prediction. Limits on anomalous quartic gauge couplings are set at 95\% confidence-level as $-1.7 imes 10^{-6} < a_0^W/Λ^2 < 1.7 imes 10^{-6}$ GeV$^{-2}$and $-6.4 imes 10^{-6} < a_C^W/Λ^2 < 6.3 imes 10^{-6}$ GeV$^{-2}$. A 95\% confidence-level upper limit on the total production cross-section for exclusive Higgs boson is set to 1.2 pb.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 검출기를 사용하여 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서의 $pp$ 충돌에서 배제적 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 생성을 탐색하기 위해.
• WW\gamma\gamma 정점에 관여하는 비정상적인 4차 가우지 상호작용 촉매(aQGCs)에 대한 한계를 설정하기 위해.
• 동일한 데이터셋에서 $gg \to pH$ 경로를 통한 배제적 힉스 보손 생성을 탐색하기 위해.
• 표준모형 예측에 따르면 배제적 $W^+W^-$ 생성이 이루어지며, 단면적 또는 상호작용 강도의 편차를 통해 새로운 물리학을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 배제적 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 생성을 모델링하기 위해 등가광자 근사(EPA)를 사용하며, 양성자가 준실재 광자를 방출하여 $W^+W^-$ 쌍이 생성되는 과정을 기술한다.
• 검출기에서 추가 활동이 없는 상태를 요구하여 배제적 과정를 식별하기 위해 $e^\pm\mu^\mp$ 최종 상태의 사건을 분석한다.
• 배경를 억제하기 위해 렙톤의 고립도, 부족한 횡방향 운동량 및 $p_T$ 균형 조건을 적용한다.
• 비정상적인 4차 가우지 상호작용 촉매(aQGC) 기술에서 단위성을 유지하기 위해 두극자 형상요소를 사용하며, 절단 스케일 $\Lambda_{\text{cutoff}}$를 포함한다.
• 동시에 데이터에 대한 피팅을 수행하여 $W^+W^-$ 단면적을 추출하고, 95% 신뢰수준에서 $a_0^W/\Lambda^2$ 및 $a_C^W/\Lambda^2$에 대한 한계를 설정한다.
• 우도 기반 방법을 적용하여 배제적 힉스 보손 생성의 총 단면적에 대한 상한을 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8 TeV에서의 $pp$ 충돌에서 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 배제적 생성에 대한 증거가 있는가?
• RQ2 $WW\gamma\gamma$ 정점에서 비정상적인 4차 가우지 상호작용 촉매 $a_0^W/\Lambda^2$ 및 $a_C^W/\Lambda^2$에 대한 한계는 무엇인가?
• RQ3 관측된 $W^+W^-$ 생성률이 표준모형 예측과 다를까?
• RQ4 8 TeV에서의 $pp$ 충돌에서 글루온 융합을 통한 배제적 힉스 보손 생성에 대한 단면적 상한은 무엇인가?

주요 결과

• $W^+W^-$ 최종 상태에서 표준모형 예측과 일치하는 3.0$\sigma$ 초과가 관측되었다. 이는 배제적 $\gamma\gamma \to W^+W^-$ 생성과 일치한다.
• $\gamma\gamma \to W^+W^- \to e^\pm\mu^\mp X$의 측정된 단면적은 $6.9 \pm 2.2\text{ (통계)} \pm 1.4\text{ (계측)}$ fb이다.
• 비정상적인 4차 가우지 상호작용 촉매에 대해 95% 신뢰수준에서 한계가 설정되었으며, $-1.7 \times 10^{-6} < a_0^W/\Lambda^2 < 1.7 \times 10^{-6}$ GeV$^{-2}$ 및 $-6.4 \times 10^{-6} < a_C^W/\Lambda^2 < 6.3 \times 10^{-6}$ GeV$^{-2}$이다.
• 배제적 힉스 보손 생성에 대한 총 단면적에 대해 95% 신뢰수준 상한이 1.2 pb로 설정되었다.
• 결과는 표준모형과 일치하며, 배제적 $W^+W^-$ 또는 힉스 생성 채널에서 새로운 물리학의 증거를 나타내지 않는다.