[논문 리뷰] Observation of gauge boson joint-polarisation states in $W^{\pm}Z$ production from $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CERN의 ATLAS 검출기에서 139 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 처음으로 공동으로 편광된 W±Z 보손 쌍의 관측을 보고한다. 공동 스핀 분율은 7.1σ의 유의수준으로 측정되었으며, f₀₀ = 0.067 ± 0.010, f₀ₜ = 0.110 ± 0.029, fₜ₀ = 0.179 ± 0.023, fₜₜ = 0.644 ± 0.032로 측정되었으며, 이는 다음 주요 순서의 표준모형 예측과 일치한다.

ABSTRACT

Measurements of joint-polarisation states of W and Z gauge bosons in W±Z production are presented. The data set used corresponds to an integrated luminosity of 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The W±Z candidate events are reconstructed using leptonic decay modes of the gauge bosons into electrons and muons. The simultaneous pair-production of longitudinally polarised vector bosons is measured for the first time with a significance of 7.1 standard deviations. The measured joint helicity fractions integrated over the fiducial region are f00=0.067±0.010, f0T=0.110±0.029, fT0=0.179±0.023 and fTT=0.644±0.032, in agreement with the next-to-leading-order Standard Model predictions. Individual helicity fractions of the W and Z bosons are also measured and found to be consistent with joint helicity fractions within the expected amounts of correlation. Both the joint and individual helicity fractions are also measured separately in W+Z and W−Z events. Inclusive and differential cross sections for several kinematic observables sensitive to polarisation are presented.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 W±Z 생성에서 W 및 Z 보손의 공동 편광 상태를 측정하기 위해.
• 스핀 상관관계를 통해 표준모형의 게이지 대칭성과 전자약력 대칭성 깨짐 메커니즘을 시험하기 위해.
• 편광 행동의 편차를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 역학적 영역 내에서 스핀 상태에 민감한 포함 및 미분 단면적을 측정하기 위해.

제안 방법

• 전자 및 뮤온으로의 붕괴를 통해 W±Z 사건을 재구성한다.
• 공동 스핀 밀도 행렬 형식을 사용하여 f₀₀, fₜₜ, f₀ₜ, fₜ₀를 행렬 원소의 선형 조합으로 정의한다.
• 재구성된 운동량 관측량에서 스핀 분율을 추출하기 위해 우도 기반 피팅을 적용한다.
• W 및 Z 보손의 개별 스핀 분율 f₀, fₗ, fᵣ를 별도로 측정한다.
• 다음 주요 순서의 Quantum Chromodynamics 예측과 결과를 비교한다.
• 스핀 상태와 관련된 각도 변수에 대한 함수로서 영역 내 단면적과 미분 단면적을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 W±Z 생성에서 공동으로 편광된 W 및 Z 보손을 관측하는 데 있어 유의미한가?
• RQ2 측정된 공동 스핀 분율이 다음 주요 순서의 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 W 및 Z 보손의 개별 스핀 분율은 기대되는 상관관계 내에서 측정된 공동 분율과 일치하는가?
• RQ4 역학적 위상공간 내에서 W±Z 생성의 포함 및 미분 단면적은 무엇인가?
• RQ5 W⁺Z 및 W⁻Z 사건 간의 편광에 측정 가능한 차이가 있는가?

주요 결과

• 장방향 편광된 W 및 Z 보손의 동시 생성은 7.1 표준편차의 유의수준으로 관측되었다.
• 측정된 공동 스핀 분율은 f₀₀ = 0.067 ± 0.010, f₀ₜ = 0.110 ± 0.029, fₜ₀ = 0.179 ± 0.023, fₜₜ = 0.644 ± 0.032이다.
• 이 공동 분율은 불확실성 범위 내에서 다음 주요 순서의 표준모형 예측과 일치한다.
• W 및 Z 보손의 개별 스핀 분율이 기대되는 상관관계 내에서 공동 분율과 일치하는 것으로 측정되었다.
• 역학적 영역 내에서 포함된 W±Z 생성 단면적이 측정되었으며, 편광에 민감한 각도 관측량에 대한 함수로서의 미분 단면적이 제시되었다.
• 공동 또는 개별 스핀 분율에서 표준모형과의 유의미한 편차는 관측되지 않았으며, 이는 약한 보손 생성의 표준모형 기술이 타당함을 뒷받침한다.