[논문 리뷰] Studies of the Energy Dependence of Diboson Polarization Fractions and the Radiation-Amplitude-Zero Effect in WZ Production with the ATLAS Detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend외 2958명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 13 TeV에서 WZ 생성에서 에너지에 따라 변하는 이보손 분극 분율의 첫 번째 관측을 제시하며, 고역류운동량(100 < pT^Z ≤ 200 GeV) 영역에서 두 개의 종방향으로 분극된 보손을 가진 사건에 대해 5.2σ의 통계적의미를 측정한다. 또한 WZ 생성에서 방사 앰플리튜드 제로(RAZ) 효과의 첫 번째 실험적 관측을 보고하며, ΔY(ℓWZ) 및 ΔY(WZ) 분포에서 0 근처에서의 상당한 억제를 관측하여 표준모형 예측과 일치함을 보여준다.

ABSTRACT

This Letter presents the first study of the energy dependence of diboson polarization fractions in $WZ→ℓνℓ′ℓ′(ℓ,ℓ′=e,μ)$ production. The dataset used corresponds to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector. Two fiducial regions with an enhanced presence of events featuring two longitudinally polarized bosons are defined. A nonzero fraction of events with two longitudinally polarized bosons is measured with an observed significance of 5.3 standard deviations in the region with 100&lt;$p_T^Z$≤200 GeV and 1.6 standard deviations in the region with $p_T^Z$&gt;200 GeV, where $p_T^Z$ is the transverse momentum of the Z boson. This Letter also reports the first study of the radiation-amplitude-zero effect. Events with two transversely polarized bosons are analyzed for the $ΔY(ℓWZ)$ and $ΔY(WZ)$ distributions defined respectively as the rapidity difference between the lepton from the W boson decay and the Z boson and the rapidity difference between the W boson and the Z boson. Significant suppression of events near zero is observed in both distributions. Unfolded $ΔY(ℓWZ)$ and $ΔY(WZ)$ distributions are also measured and compared to theoretical predictions.

연구 동기 및 목표

• 고역류운동량(pT^Z) 영역에서 WZ 생성의 이보손 분극 분율의 에너지 의존성을 연구하며, 특히 두 종방향으로 분극된 보손을 가진 사건의 비율(f00)을 중심으로 한다.
• 표준모형에서 예측된 양자장론 현상인, 특정 산란각에서 스핀 앰플리튜드가 사라지는 방사 앰플리튜드 제로(RAZ) 효과를 WZ 생성에서 탐색한다.
• 고에너지 이보손 사건에서 W 및 Z 보손의 분극 상태를 측정하여 전자약력 대칭파괴 메커니즘을 검증한다.
• 주로 T T 분극 상태 기여를 줄이기 위해 고pT^Z 및 저pT^WZ 이벤트를 선택함으로써, 희귀한 f00 및 RAZ 효과에 대한 민감도를 향상시킨다.

제안 방법

• ATLAS 검출기에서 확보한 13 TeV 양성자-양성자 충돌의 140 fb⁻¹ 데이터에서 렙톤 붕괴(ℓ, ℓ′ = e, μ)를 통해 WZ → ℓνℓ′ℓ′ 이벤트를 재구성한다.
• f00 비율을 강화한 두 개의 피드유얼 영역을 정의한다: 하나는 100 < pT^Z ≤ 200 GeV이고, 다른 하나는 pT^Z > 200 GeV이며, 이는 에너지 의존성 연구에 기여한다.
• 빠르도피 차이 분포 ΔY(ℓWZ) 및 ΔY(WZ)를 측정한다. 여기서 ΔY(ℓWZ)는 W 붕괴 렙톤과 Z 보손 사이의 빠르도피 차이이고, ΔY(WZ)는 W 및 Z 보손 사이의 빠르도피 차이이다.
• 검출기 효과를 보정하기 위해 언폴딩 기법을 적용하고, 언폴딩된 분포를 최초 주문 및 다음 주문의 QCD 예측과 비교한다.
• 전자 및 뮤온의 가능도 기반 식별, 반경 R=0.4인 anti-kT 알고리즘을 사용한 제트 재구성, 그리고 입자 흐름 알고리즘을 사용한 미소한 횡방향 운동량(E_T^miss) 재구성을 수행한다.
• 트리거 매칭, 렙톤 고립도 및 오버랩 제거를 구현하여 배경를 억제하고 정확한 이벤트 선택을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WZ 생성에서 이보손 분극 분율 f00의 에너지 의존성은 무엇이며, 특히 고pT^Z 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ2 WZ 사건의 ΔY(ℓWZ) 및 ΔY(WZ) 분포에서 방사 앰플리튜드 제로(RAZ) 효과가 나타나는가?
• RQ3 측정된 분극 분율 및 RAZ 분포는 최초 주문 및 다음 주문의 QCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 고pT^Z 및 저pT^WZ 이벤트를 선택함으로써 f00 및 RAZ 효과에 대한 민감도는 어느 정도 향상되는가?
• RQ5 NLO QCD 보정으로 신호가 약화되는 상황에서도 WZ 생성에서 RAZ 효과를 실험적으로 관측할 수 있는가?

주요 결과

• 100 < pT^Z ≤ 200 GeV 영역의 피드유얼 영역에서 두 종방향으로 분극된 보손을 가진 사건의 비율(f00)이 5.2 표준편차의 통계적의미로 비영이 아닌 것으로 측정되었다.
• pT^Z > 200 GeV 영역에서는 1.6 표준편차의 통계적의미가 관측되어, 더 높은 Z 보손 횡운동량 영역에서 f00 기여는 측정 가능하지만 상대적으로 덜 뚜렷하다는 것을 시사한다.
• ΔY(ℓWZ) 및 ΔY(WZ) 분포에서 0 근처에서 사건의 상당한 억제가 관측되어, WZ 생성에서 방사 앰플리튜드 제로(RAZ) 효과에 대한 첫 번째 실험적 증거를 제공한다.
• 언폴딩된 ΔY(ℓWZ) 및 ΔY(WZ) 분포는 이론적 예측과 양호한 일치를 보이며, 게이지 보손 생성 앰플리튜드의 표준모형 기술이 검증됨을 확인한다.
• f00 비율은 포함된 WZ 사건에서 5–7%에서 고pT^Z 및 저pT^WZ 영역에서는 20–30%로 증가하여, 주로 T T 기여를 효과적으로 억제함을 보여준다.
• 관측된 RAZ 저하 부위는 표준모형 예측과 일치하며, WZ 고정프레임에서 90° 산란각에서 게이지 대칭이 특정 스핀 앰플리튜드를 억제하는 역할을 한다는 것을 확인한다.