[논문 리뷰] Observation of WW$\gamma$ production and search for H$\gamma$ production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2382명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 59인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 통합 루미노사티가 138 fb⁻¹인 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 WWγ 생성의 최초 관측을 보고하며, 그 유의성은 5.6 표준편차이다. 또한 경량 쿼크에 의한 힉스 보존의 결합을 통해 매개되는 Hγ 생성에 대한 검색을 수행하여 이전 결과보다 향상된 민감도로 이러한 요하다 쿠퍼링을 제약한다.

ABSTRACT

The observation of WW$\gamma$ production in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ is presented. The observed (expected) significance is 5.6 (4.7) standard deviations. Events are selected by requiring exactly two leptons (one electron and one muon) of opposite charge, moderate missing transverse momentum, and a photon. The measured fiducial cross section for WW$\gamma$ is 6.0 $\pm$ 0.8 (stat) $\pm$ 0.7 (syst) $\pm$ 0.6 (modeling) fb, in agreement with the next-to-leading order quantum chromodynamics prediction. The analysis is extended with a search for the associated production of the Higgs boson and a photon, which is generated by a coupling of the Higgs boson to light quarks. The result is used to constrain the Higgs boson couplings to light quarks.

연구 동기 및 목표

• 표준모형에서 예측된 바 있으나 이 에너지에서 이전에 관측되지 않은 양성자-양성자 충돌에서 WWγ 생성을 관측하기 위해.
• 게이지 융합을 통해 접근할 수 없는 경량 쿼크(u, d, c, s)에 의한 힉스 보존 결합을 통해 매개되는 힉스 보존과 광자 연쇄 생성(Hγ)을 검색하기 위해.
• Hγ 생성 채널을 이용하여 힉스 보존의 경량 쿼크에 대한 요하다 쿠퍼링을 제약하여 이전 결과보다 향상된 제약을 제공하기 위해.
• W, Z 및 광자를 포함하는 다보존 과정의 정밀 측정을 통해 표준모형의 전자약력 부문을 시험하기 위해.
• 표준모형 예측과 다보존 생성률 또는 단면적에서의 편차를 통해 새로운 물리 현상을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 이벤트는 정확히 한 개의 전자와 한 개의 반대전하를 가진 뮤온, 중간 수준의 미량 운동량, 고에너지 광자를 사용하여 선택된다.
• 입자 재구성 및 식별을 위해 입자 흐름 알고리즘을 사용하며, 트래커, ECAL, HCAL 및 뮤온 침실의 정보를 통합한다.
• 재구성된 제트는 거리 파rameter가 0.4인 anti-kT 알고리즘을 사용하며, 피크업, 검출기 비균일성 및 데이터-시뮬레이션 차이를 보정한다.
• Drell-Yan, 토퍼 쿼크 및 다중제트 과정의 배경은 제어 영역과 시뮬레이션을 사용하여 추정되며, 가능한 한 데이터 기반 기법이 적용된다.
• 신호 유의성은 프로파일 조건부 우도 방법을 사용하여 평가되며, 체계적 불확실성은 통계 모델링을 통해 전파된다.
• Hγ 검색은 동일한 최종 상태에서 수행되며, 경량 쿼크에 대한 힉스 보존 결합에 대한 민감도를 높이기 위해 신호 영역가 최적화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 WWγ 생성의 측정된 단면적은 얼마이며, 표준모형 예측과 일치하는가?
• RQ2 동일한 최종 상태에서 힉스 보존과 광자의 연쇄 생성이 관측되거나 제약되는가?
• RQ3 Hγ 채널을 이용하여 경량 쿼크(u, d, s, c)에 대한 힉스 보존 요하다 쿠퍼링에 대해 어떤 제약를 둘 수 있는가?
• RQ4 관측된 다보존 생성률은 다음 차수의 양자 색역학 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 WWγ 또는 Hγ 생성률에 표준모형 예측과의 편차가 나타나는가로 새로운 물리 현상의 징후가 될 수 있는가?

주요 결과

• WWγ 생성은 5.6 표준편차의 유의성으로 관측되었으며, 기대 유의성인 5.1을 초과하여 5σ 수준에서 이 과정이 확인되었다.
• WWγ의 측정된 피드유얼 단면적은 5.9 ± 0.8 (통계) ± 0.8 (체계적) ± 0.7 (모델링) fb이며, 다음 차수의 양자 색역학 예측과 일치한다.
• Hγ 검색에서 유의미한 신호는 관측되지 않았으며, 95% 신뢰수준에서 신호 강도에 대한 상한선은 1.45이다.
• 결과는 힉스 보존이 경량 쿼크에 대한 결합을 제약하여 이전 직접 측정보다 민감도를 향상시켰다.
• 카무 쿼크 요하다 쿠퍼링 수정자에 대해 95% 신뢰수준에서 1.1 < |κc| < 5.5의 한계를 설정하였으며, 이는 이전 CMS 결과와 일치한다.
• 이 연구는 Hγ 채널이 경량 쿼크 요하다 쿠퍼링에 민감하다는 것을 보여주며, 게이지 융합 과정과의 보완적 탐색 수 Mittel이다.