[논문 리뷰] Precision measurement of the Z boson invisible width in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2351명|arXiv (Cornell University)|2022. 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 pp 충돌 데이터를 사용하여, 하드론 충돌기에서 Z 보손의 비가시 폭에 대한 첫 번째 직접 정밀 측정을 제시한다. Z+jets 사건에서 Z→νν 및 Z→ℓℓ (ℓ = e, μ) 붕괴의 운동학적 분포를 비교함으로써, 비가시 폭은 523 ± 3 (통계) ± 16 (계측) MeV로 측정되었으며, 이는 현재까지 가장 정밀한 직접 측정 결과이며, 최고의 LEP 간접 결과와도 경쟁 가능하다.

ABSTRACT

A precise measurement of the invisible width of the Z boson produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented using data recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. The result is obtained from a simultaneous fit to kinematic distributions for two data samples of Z boson plus jets: one dominated by Z boson decays to invisible particles and the other by Z boson decays to muon and electron pairs. The invisible width is measured to be 523 $\pm$ 3 (stat) $\pm$ 16 (syst) MeV. This result is the first precise measurement of the invisible width of the Z boson at a hadron collider, and is the single most precise direct measurement to date, competitive with the combined result of the direct measurements from the LEP experiments.

연구 동기 및 목표

• 하드론 충돌기에서 특히 √s = 13 TeV에서 Z 보손의 비가시 폭에 대한 첫 번째 직접 측정을 수행하기 위해.
• 정밀 측정을 통해 표준모형 예측의 경량 중성미오 입자 종류 수를 검증하기 위해.
• 직접 측정의 총 불확도를 감소시켜, 간접 방법과 다를 수 있는 다양한 새로운 물리 현상에 민감할 수 있도록 하기 위해.
• Z→νν 및 Z→ℓℓ 붕괴 간 운동학적 유사성을 활용하여, Z+jets 데이터 샘플에 대한 동시에 피팅을 통해 비가시 폭을 추출하기 위해.

제안 방법

• 전자, 뮤온, 제트, 그리고 부족한 횡방향 운동량을 포함한 입자를 재구성하고 식별하기 위해 입자 흐름 알고리즘의 사용.
• R = 0.4를 사용한 반-카이 토 알고리즘을 적용하여 재구성된 입자들로부터 제트를 재구성한 후, 제트 에너지 스케일 및 해상도 보정을 수행.
• 두 가지 데이터 샘플의 운동학적 분포에 대한 동시에 피팅: 하나는 큰 pT 및 부족한 횡방향 운동량를 통해 Z→νν 붕괴로 풍부한 샘플이며, 다른 하나는 전자 및 뮤온 쌍을 통해 Z→ℓℓ 붕괴로 풍부한 샘플.
• 분해율 비율을 통해 비가시 폭을 추출하기 위한 공식을 사용: Γ(Z→νν) = [σ(Z+jets)B(Z→νν)/σ(Z+jets)B(Z→ℓℓ)] × Γ(Z→ℓℓ), 여기서 Γ(Z→ℓℓ)는 관측 가능한 붕괴 샘플로부터 알려져 있다.
• Z+jets 횡단분면 및 측정된 분해율 비율을 사용하여 비가시 폭을 추론하며, 계측 불확도는 전용 제어 영역과 시뮬레이션 검증을 통해 평가된다.
• Z+제트 및 이제트 사건에서 운동량 균형을 이용한 현장 내 제트 에너지 스케일 보정을 적용하여 시뮬레이션과 데이터 간의 불일치를 최소화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서, 하드론 충돌기에서 처음으로 직접 측정된 Z 보손의 비가시 폭의 정밀한 값은 무엇인가요?
• RQ2 이 직접 측정 결과는 간접 LEP 결과 및 표준모형 예측과 어떻게 비교될 수 있나요?
• RQ3 Z→νν 및 Z→ℓℓ 붕괴 간 운동학적 유사성을 활용하여, 하드론 충돌 환경에서 비가시 폭을 고정밀도로 추출할 수 있을까요?
• RQ4 이 직접 측정 결과는 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상, 특히 추가적인 경량 중성미오 입자 종류 또는 약하게 상호작용하는 입자에 대한 민감도는 어떠한가요?

주요 결과

• Z 보손의 비가시 폭은 523 ± 3 (통계) ± 16 (계측) MeV로 측정되었으며, 이는 현재까지 가장 정밀한 직접 측정 결과입니다.
• 이 결과는 LEP 실험에서의 통합 간접 측정 결과인 499.0 ± 1.5 MeV와도 경쟁 가능합니다.
• 이 측정은 LHC의 CMS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 36.3 fb⁻¹의 통합 루미너시티를 기반으로 합니다.
• 비가시 붕괴와 충전 레프톤 붕괴로 풍부한 Z+jets 샘플에 대한 동시에 피팅을 통해, 운동학적 유사성을 활용한 비가시 폭의 신뢰성 있는 추출이 가능했습니다.
• 계측 불확도는 주로 제트 에너지 스케일 및 해상도 보정에 의해 결정되며, 총 계측 불확도는 16 MeV입니다.
• 결과는 Z 보손과 상호작용하는 경량 중성미오 입자 종류의 수를 제약하며, 향후 Z 보손 비가시 붕괴에서의 새로운 물리 현상 탐색을 위한 기준이 됩니다.