[논문 리뷰] Search for new heavy resonances decaying to WW, WZ, ZZ, WH, or ZH boson pairs in the all-jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2391명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 CMS 검출기로 2016년에서 2018년 사이에 수집된 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여, 모든 임펄스 상태에서 WW, WZ, ZZ, WH 또는 ZH 보손 쌍으로 붕괴하는 새로운 무거운 공명을 탐색한다. 큰 반경(R = 0.8)의 임펄스에서 고속으로 운동하는 벡터 보손을 식별하기 위해 기계학습 기반 기법을 활용하였으며, 유의미한 초과는 관측되지 않았다. 현재까지 가장 엄격한 한계로, 스핀-1 Z′ 및 W′ 공명은 4.8 TeV 이하, 스핀-2 중력보 및 스핀-0 라디언은 각각 1.4 TeV 및 2.7 TeV 이하에서 95% 신뢰수준에서 배제된다.

ABSTRACT

A search for new heavy resonances decaying to WW, WZ, ZZ, WH, or ZH boson pairs in the all-jets final state is presented. The analysis is based on proton-proton collision data recorded by the CMS detector in 2016-2018 at a centre-of-mass energy of 13 TeV at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The search is sensitive to resonances with masses above 1.3 TeV, decaying to bosons that are highly Lorentz-boosted such that each of the bosons forms a single large-radius jet. Machine learning techniques are employed to identify such jets. No significant excess over the estimated standard model background is observed. A maximum local significance of 3.6 standard deviations, corresponding to a global significance of 2.3 standard deviations, is observed at masses of 2.1 and 2.9 TeV. In a heavy vector triplet model, spin-1 Z' and W' resonances with masses below 4.8 TeV are excluded at the 95% confidence level (CL). These limits are the most stringent to date. In a bulk graviton model, spin-2 gravitons and spin-0 radions with masses below 1.4 and 2.7 TeV, respectively, are excluded at 95% CL. Production of heavy resonances through vector boson fusion is constrained with upper cross section limits at 95% CL as low as 0.1 fb.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 모든 임펄스 상태로 붕괴하는 새로운 무거운 공명을 탐색한다.
• 기계학습 기반 임펄스 서브구조 태깅을 활용하여 Drell–Yan, 글루온 융합, 벡터 보손 융합를 통해 생성된 공명에 대한 감도를 향상시킨다.
• 무거운 벡터 트리플렛, 버블 중력보, 라디언 모델과 같은 새로운 물리 모델에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 설정한다.
• 특히 벡터 보손 융합 채널에서의 새로운 공명 생성 단면적을 95% 신뢰수준에서 0.1 fb까지 낮춘다.

제안 방법

• 2016년에서 2018년 사이에 CMS 검출기에서 수집된 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 고속으로 운동하는 W, Z 또는 힉스 보손에서 기인한 큰 반경(R = 0.8)의 임펄스를 식별하기 위해 기계학습 기반 임펄스 서브구조 태깅을 적용한다.
• 두 개의 큰 반경 임펄스 시스템의 진동 질량과 개별 임펄스 질량을 고려한 3차원 최대우도 적합을 수행하여 신호와 배경을 분리한다.
• 벡터 보손 융합로 생성된 공명에 대한 감도를 향상시키기 위해 추가적인 작은 반경(R = 0.4)의 임펄스 존재 여부에 따라 이벤트를 분류한다.
• 고급 임펄스 에너지 및 피로이드(중첩) 보정 기법을 적용하며, 이는 입자 흐름 재구성 및 개별 입자 기반 피로이드 식별을 포함한다.
• LHC 데이터에 보정된 임펄스 에너지 스케일과 파르톤 분포 함수를 조정한 시뮬레이션된 신호 및 배경 샘플을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 모든 임펄스 채널에서 VV 또는 VH 최종 상태로 붕괴하는 새로운 스핀-1 Z′ 및 W′ 공명에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계는 무엇인가?
• RQ2 관측된 한계는 비틀린 추가 차원에서의 버블 중력보 및 라디언 모델을 어떻게 제약하는가?
• RQ3 기계학습 기반 임펄스 서브구조 태깅은 고질량 공명에서 고속으로 운동하는 벡터 보손을 식별하는 데 얼마나 감도를 향상시키는가?
• RQ4 벡터 보손 융합를 통해 생성된 새로운 공명의 생산 단면적에 대한 95% 신뢰수준에서의 상한은 무엇인가?
• RQ5 질량 영역 및 배경 억제 측면에서 이전의 탐색과 비교해 결과는 어떻게 다른가?

주요 결과

• 표준모형 배경에 비해 유의미한 초과는 관측되지 않았으며, 최대 局부 신뢰도 3.6σ는 2.1 TeV 및 2.9 TeV에서 관측되었다.
• 2.1 TeV 및 2.9 TeV에서 전역 신뢰도 2.3σ가 관측되어 이 질량에서 새로운 물리학의 증거는 없음을 시사한다.
• 무거운 벡터 트리플렛 모델에서 스핀-1 Z′ 및 W′ 공명은 95% 신뢰수준에서 4.8 TeV 이하에서 배제된다.
• 버블 중력보 모델에서 스핀-2 중력보 및 스핀-0 라디언은 각각 1.4 TeV 및 2.7 TeV 이하에서 95% 신뢰수준에서 배제된다.
• 벡터 보손 융합를 통한 새로운 공명의 생산 단면적 한계는 95% 신뢰수준에서 최소 0.1 fb까지 설정되었다.
• 이 분석은 모든 임펄스 채널에서 VV 및 VH 최종 상태로 붕괴하는 스핀-1 공명에 대해 현재까지 가장 엄격한 한계를 확보하였다.