[논문 리뷰] Measurement of the $ au$ lepton polarization in Z boson decays in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2366명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 36.3 fb⁻¹의 proton-proton 충돌 데이터를 이용해 Z → τ⁺τ⁻ 붕괴에서의 τ 렙톤 스핀배향을 정밀 측정한다. 렙톤성 및 하드론성 τ 붕괴 모드를 분석함으로써, Pτ(Z) = −0.144 ± 0.015를 도출하였으며, 이는 표준모형 예측과 일치하며, sin²θeff_W = 0.2319 ± 0.0019를 얻었고, LEP 측정과 뛰어난 일치를 보인다.

ABSTRACT

The polarization of $ au$ leptons is measured using leptonic and hadronic $ au$ lepton decays in Z $ o au^+ au^-$ events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV recorded by CMS at the CERN LHC with an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. The measured $ au^-$ polarization at the Z boson mass pole is $\mathcal{P}_{ au}$(Z) = $-$0.144$\pm$0.006 (stat) $\pm$ 0.014 (syst) = $-$0.144$\pm$0.015, in good agreement with the measurement of the $ au$ lepton asymmetry parameter of $A_{ au}$ = 0.1439$\pm$0.0043 = $-\mathcal{P}_{ au}$(Z) at LEP. The $ au$ polarization depends on the ratio of the vector to axial-vector couplings of the $ au$ leptons in the neutral current expression, and thus on the effective weak mixing angle $\sin^{2} heta_\mathrm{W}^{ ext{eff}}$, independently of the Z boson production mechanism. The obtained value $\sin^{2} heta_\mathrm{W}^{ ext{eff}}$ = 0.2319$\pm$0.0008 (stat) $\pm$ 0.0018 (syst) = 0.2319$\pm$0.0019 is in good agreement with measurements at e$^+$e$^-$ colliders.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 proton-proton 충돌에서 Z → τ⁺τ⁻ 붕괴에서의 τ 렙톤 스핀배향을 측정한다.
• 효과적인 약한 혼합 각도 sin²θeff_W를 통한 약한 중성전류 상호작용에서의 렙톤 대칭성 검증을 위해 수행한다.
• 생산 메커니즘에 영향을 받지 않는, 오직 τ 렙톤 상호작용에 의존하는 sin²θeff_W의 고정밀 측정을 제공한다.
• 새로운 실험 환경(질량 중심계에서의 pp 충돌)을 통해 표준모형 예측의 τ 렙톤 스핀배향을 검증한다.

제안 방법

• τₑ, τμ 및 τₕ 붕괴 모드를 조합하여 Z → τ⁺τ⁻ 이벤트를 재구성한다: τₑτμ, τₑτₕ, τμτₕ, τₕτₕ.
• τ 렙톤의 정지 참조계에서의 τ 붕괴 입자의 각도 및 에너지 분포를 통해 스핀배향을 측정한다.
• 스핀배향을 추출하기 위해 미분 단면적 dσ/dcosθτ = F₀(ŝ)(1 + cos²θτ) + 2F₁(ŝ)cosθτ − λτ[F₂(ŝ)(1 + cos²θτ) + 2F₃(ŝ)cosθτ]을 사용한다.
• τ 붕괴 입자의 각도 분포에 최대우도 적합을 적용하여 Pτ 및 Aτ를 결정한다.
• PYTHIA8와 TAUOLA를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검출기 효과 및 배경 기여를 보정한다.
• 통계적 및 시스템적 오차를 고려하여 Pτ(Z) 및 sin²θeff_W를 동시에 적합하여 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 Z → τ⁺τ⁻ 붕괴에서 측정된 τ 렙톤 스핀배향 Pτ의 값은 무엇인가?
• RQ2 측정된 τ 렙톤 스핀배향은 표준모형 예측 및 이전의 e⁺e⁻ 충돌기에서의 측정과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 측정된 스핀배향이 효과적인 약한 혼합 각도 sin²θeff_W를 얼마나 정밀하게 제약하는가?
• RQ4 측정 결과는 τ 렙톤의 스핀배향을 통해 Z 보손 상호작용에서의 렙톤 대칭성을 확인하는가?

주요 결과

• Z 보손 질량 피크에서 측정된 τ⁻ 렙톤 스핀배향은 Pτ(Z) = −0.144 ± 0.015이며, 통계적 오차 0.006과 시스템적 오차 0.014를 포함한다.
• 결과는 LEP 측정값 Aτ = 0.1439 ± 0.0043와 뛰어난 일치를 보이며, Pτ = −Aτ 를 확인한다.
• 효과적인 약한 혼합 각도는 sin²θeff_W = 0.2319 ± 0.0019로 결정되었으며, LEP 측정과 일치한다.
• 측정은 Z 보손 생성 역학에 영향을 받지 않는 오직 τ 렙톤 상호작용에 의존하는 sin²θeff_W의 정밀 측정을 제공한다.
• 결과는 표준모형이 예측한 바와 같이 약한 중성전류 상호작용에서의 렙톤 대칭성을 지지한다.
• 분석은 고다중도의 pp 충돌 환경에서 τ 렙톤 스핀배향 측정의 가능성과 정밀도를 입증한다.