[논문 리뷰] Measuring the polarization of boosted, hadronic $W$ bosons with jet substructure observables

Songshaptak De, Vikram Rentala외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 41인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 고도로 빠른, 강하게 붕괴하는 $W$ 보손의 편광을 모델에 종속되지 않은 방식으로 측정하기 위해 새로운 제트 서브구조 관측량 $p_\theta$를 도입한다. 부분입자 수준의 붕괴 극각을 서브제트 운동량으로 복원함으로써, 종방향 및 횡방향 편광 분율을 정밀하게 결정할 수 있으며, 고광도 LHC에서 벡터 보손 산란 시 종방향 분율의 정밀도가 $\pm 0.15$에 도달하고, 단지 20개의 사건으로 스칼라와 편미분 스칼라 공명체를 구별할 수 있다.

ABSTRACT

In this work, we present a new technique to measure the longitudinal and transverse polarization fractions of hadronic decays of boosted $W$ bosons. We introduce a new jet substructure observable denoted as $p_θ$, which is a proxy constructed purely out of subjet energies for the parton level decay polar angle of the $W$ boson in its rest-frame. The distribution of this observable is sensitive to the polarization of $W$ bosons and can therefore be used to reconstruct the $W$ polarization in a way that is independent of the production process -- assuming Standard Model (SM) rules governing decays. We argue that this proxy variable has lower reconstruction errors as compared to the other proxies that have been used by the experimental collaborations, especially for large boosts of the $W$-boson. As a test case, we study the efficacy of our technique on vector boson scattering (VBS) processes at the high luminosity Large Hadron Collider. We find that with only SM production channels, measuring the longitudinal polarization fraction is likely to be challenging even with 10 ab$^{-1}$ of data. We suggest further strategies and scenarios that may improve the prospects of measurement of the hadronic $W$ polarization fraction.

연구 동기 및 목표

• 강하게 붕괴하는 고속 $W$ 보손의 편광 분율을 모델에 종속되지 않은 방식으로 측정하기 위한 방법을 개발한다.
• 현재 편광 측정 기법이 렙톤 붕괴에 의존하고 통계적으로 제한되는 점을 극복한다.
• 특히 완전히 강하게 붕괴하거나 반-렙톤성 채널에서 발생하는 벡터 보손 산란 과정에서 두 $W$ 보손의 동시에 편광 측정을 가능하게 한다.
• 최소한의 사건 수로 $W$ 보손으로 붕괴하는 새로운 물리 공명체의 스핀과 페어리티를 식별한다.

제안 방법

• 고속 $W$ 보손의 부분입자 수준 붕괴 극각을 대체하는 관측량으로서의 새로운 제트 서브구조 관측량 $p_\theta$를 도입한다.
• N-서브제트니스를 사용해 고속 $W$ 보손의 강하게 붕괴한 결과로 나타나는 서브제트를 식별하고, 그 운동량으로부터 $p_\theta$ 변수를 복원한다.
• 가짜 스칼라 및 페시오스칼라 공명체에서 시뮬레이션된 사건을 이용해 순수 종방향 및 횡방향 $W$ 보손 편광에 대한 $p_\theta$ 분포의 템플릿을 제작한다.
• 배경 기여를 $p_\theta$ 분포에 모델링하고, 편광 분율과 동시에 피팅하여 체계적 편향을 줄인다.
• 고광도 LHC에서의 벡터 보손 산란 과정에 이 방법을 적용하여, 강하게 붕괴하는 $W$ 보손의 편광 분율을 추출한다.
• 분포를 이용해 $W$ 붕괴 생성물의 편광에 기반해 스칼라와 페시오스칼라 공명체를 식별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강하게 붕괴하는 고속 $W$ 보손의 편광에 민감한 제트 서브구조 관측량을 구성할 수 있는가?
• RQ2 $p_\theta$ 관측량이 부분입자 수준의 $W$ 보손 붕괴 극각을 얼마나 정확히 복원할 수 있는가?
• RQ3 단지 강하게 붕괴한 붕괴 정보만으로 혼합된 $W$ 보손 샘플의 편광 분율을 고정밀도로 추출할 수 있는가?
• RQ4 단지 20개의 사건으로도 스칼라와 페시오스칼라 공명체가 $W$ 보손으로 붕괴할 때 그 편광을 구별할 수 있는가?
• RQ5 QCD 및 피루프 배경이 $p_\theta$ 분포에 어떤 영향을 미치며, 효과적으로 모델링하고 제거할 수 있는가?

주요 결과

• $p_\theta$ 관측량은 $W$ 보손의 편광에 민감하며, 부분입자 수준의 붕괴 극각을 모델에 종속되지 않은 방식으로 복원한다.
• 고광도 LHC에서의 벡터 보손 산란 과정에서, 이 방법은 종방향 편광 분율 측정에 대해 $\pm 0.15$의 정밀도를 달성한다.
• 단지 20개의 사건으로도, $W$ 붕괴 생성물의 편광에 기반해 스칼라와 페시오스칼라 공명체를 구별할 수 있다.
• 이 방법은 완전히 강하게 붕괴하거나 반-렙톤성 최종 상태에서도 $WW$ 산란 과정에서 두 $W$ 보손의 동시에 편광 측정을 가능하게 한다.
• $p_\theta$ 분포에 대한 배경 기여는 신호 분포와 특징적으로 다르며, 피팅 과정에서 효과적으로 모델링하고 제거할 수 있다.
• 실험실 프레임에서 측정된 편광 분율은 부분입자 중심질량 프레임의 값과 일치하여, 이 방법의 강건성을 검증한다.