[논문 리뷰] Search for the exclusive $W$ boson hadronic decays $W^{\pm} o\pi^{\pm}\gamma$, $W^{\pm} o K^{\pm}\gamma$ and $W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma$ with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2943명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 2015년 到 2018년까지 수집한 13 TeV 비틀린 프로톤-프로톤 충돌 데이터 총 140 fb⁻¹를 이용하여, W 보손의 배제적 하드론 붕괴인 W± → π±γ, W± → K±γ, W± → ρ±γ에 대한 최초의 검색을 제시한다. 이 연구는 95% 신뢰수준에서 브랜치 비율에 대해 지금까지 가장 엄격한 상한을 설정한다: B(W± → π±γ) < 1.9×10⁻⁶, B(W± → K±γ) < 1.7×10⁻⁶, B(W± → ρ±γ) < 5.2×10⁻⁶.

ABSTRACT

A search for the exclusive hadronic decays $W^{\pm} o \pi^{\pm}\gamma$, $W^{\pm} o K^{\pm}\gamma$ and $W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma$ is performed using up to $140\, ext{fb}^{-1}$ of proton-proton collisions recorded with the ATLAS detector at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\, ext{TeV}$. These rare processes provide a test bench for the quantum chromodynamics factorization formalism used to calculate cross sections at colliders, as well as a probe of $W$ boson coupling to quarks and a new way to measure the $W$ boson mass through fully reconstructed decay products. The search results in the most stringent upper limit to date on the branching fractions $\mathcal{B}(W^{\pm} o \pi^{\pm}\gamma) &lt; 1.9 imes10^{-6}$, $\mathcal{B}(W^{\pm} o K^{\pm}\gamma) &lt; 1.7 imes10^{-6}$, $\mathcal{B}(W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma) &lt; 5.2 imes10^{-6}$ at 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• W 보손의 배제적 하드론 붕괴인 W± → π±γ, W± → K±γ, W± → ρ±γ를 탐색하는 것.
• 이 희귀 붕괴의 브랜치 비율에 대해 지금까지 가장 엄격한 실험적 제약 조건을 제공하는 것.
• 희귀 W 보손 붕괴의 맥락에서 QCD 인과성 분해 형식을 시험하는 것.
• 향후 고해상도 W 보손 질량 측정 방법으로서 이러한 붕괴의 잠재력을 탐색하는 것.

제안 방법

• 2015년 到 2018년 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV 비틀린 프로톤-프로톤 충돌 데이터 최대 140 fb⁻¹를 활용하였다.
• 희귀 하드론 붕괴에 대한 민감도를 향상시키기 위해 단일 하드론을 포함한 최종 상태를 위한 전용 트리거를 구현하였다.
• 다중제트 및 잘못 재구성된 Z→ee 배경을 정확히 기술하기 위해 비모수적 배경 모델링 기법을 적용하였다.
• ρ± → π±π⁰ 붕괴 모드를 타겟으로 삼기 위해 광자 트리거 및 타우 레프톤 재구성 알고리즘을 활용하였으며, τ → π±π⁰의 25.5% 브랜치 비율을 활용하였다.
• 신호 및 배경 모델링을 위해 QCD에서의 다음 주요 순서 수준에서의 몬테카를로 시뮬레이션을 Powheg-Box 및 Pythia8를 사용하여 수행하였고, 검출기 반응은 Geant4를 통해 시뮬레이션하였다.
• 운동량 및 기하학적 선택 기준을 적용하여 메손-광자 시스템의 진동 질량 재구성 방식으로 W 보손 후보를 재구성하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 W± → π±γ, W± → K±γ, W± → ρ±γ 붕괴의 현재 실험적 한계는 무엇인가요?
• RQ2 배제적 하드론 붕괴 W 붕괴는 고에너지 물리학에서 QCD 인과성 분해 형식의 시험으로 사용될 수 있는가요?
• RQ3 이러한 희귀 붕괴는 향후 컬리더에서 W 보손 질량 측정의 정밀도를 얼마나 향상시킬 수 있나요?
• RQ4 다중제트 및 잘못 재구성된 Z→ee 배경은 이러한 희귀 붕괴에 대한 민감도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 어떤 새로운 실험 기법이 W± → K±γ 및 W± → ρ±γ 붕괴에 대한 최초의 검색을 가능하게 했나요?

주요 결과

• 분석은 95% 신뢰수준에서 W± → π±γ, W± → K±γ, W± → ρ±γ의 브랜치 비율에 대해 지금까지 가장 엄격한 상한을 설정하였다.
• B(W± → π±γ)의 상한은 1.9×10⁻⁶ 미만으로 확인되었다.
• B(W± → K±γ)의 상한은 1.7×10⁻⁶ 미만으로 확인되었다.
• B(W± → ρ±γ)의 상한은 5.2×10⁻⁶ 미만으로 확인되었다.
• W± → K±γ 및 W± → ρ±γ 붕괴에 대한 검색은 어느 실험에서도 처음으로 이러한 최종 상태를 탐색한 실험적 노력이다.
• 결과는 이러한 희귀 붕괴에 대한 이론적 예측을 제약하고, 향후 고정밀도 W 보손 질량 측정의 기초를 마련하였다.