[論文レビュー] Evidence for tWZ production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in multilepton final states

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験で得られた138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、トップクォーク–Wボソン–Zボソン（tWZ）生成の最初の実験的証拠を提示する。高信号純度のマルチレプトン最終状態において実施された測定では、断面積が354 ± 54（統計）± 95（系誤差）fbであり、統計的有意水準は3.4σに達し、標準模型の枠組み内でのtWZ過程の確認がなされた。

ABSTRACT

The first evidence for the standard model production of a top quark in association with a W boson and a Z boson is reported. The measurement is performed in multilepton final states, where the Z boson is reconstructed via its decays to electron or muon pairs and the W boson decays either to leptons or hadrons. The analysed data were recorded by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016-2018 in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The measured cross section is 354 $\pm$ 54 (stat) $\pm$ 95 (syst) fb, and corresponds to a statistical significance of 3.4 standard deviations.

研究の動機と目的

• 13 TeVにおける陽子-陽子衝突での、希少な標準模型過程であるtWZ生成の最初の実験的観測を提供すること。
• マルチレプトン最終状態において、高い感度でtWZ生成の包括的断面積を測定すること。
• 運動量および多次元解析技術を用いて、tWZと主なバックグラウンド（特にttZ）を区別すること。
• 有効場理論の観点から、tWZが標準模型を超える新しい物理を調べるためのプローブとしての可能性を検討すること。

提案手法

• 2016–2018年の間、√s = 13 TeVでCMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データの解析。
• 1～3個の再構築されたレプトン（電子またはミュオン）を要件とする二段階のトリガー・システムを用いたイベント選別。
• トップクォークの低および高横運動量（pT）領域の両方において、信号とバックグラウンドの識別を向上させるために多次元解析（MVA）技術を用いる。
• QCDの次次精度（NLO）で、MADGRAPH5 aMC@NLOとPYTHIA8を用いて信号およびバックグラウンド過程をシミュレートし、NNPDF3.1 PDFをNNLOで使用。
• 特にQCDのNLOで、tWZとttZ過程の干渉効果をシミュレーションに組み込む。
• 新しい物理への感度を向上させるために、pT < 270 GeVの低pT領域とpT > 270 GeVのブースト領域に分けて別々に解析を行う。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおけるマルチレプトン最終状態で、tWZ生成過程を実験的に観測できるか？
• RQ2 √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突におけるtWZ生成の測定断面積は何か？
• RQ3 tWZとttZ過程の干渉効果は、信号抽出およびバックグラウンドモデル化にどのように影響するか？
• RQ4 ブーストされたトップクォーク領域（pT > 270 GeV）を含めることで、tWZ最終状態における新しい物理への感度はどの程度向上するか？

主な発見

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突におけるtWZ生成の最初の実験的証拠が、3.4標準偏差の統計的有意水準で確立された。
• 測定されたtWZ断面積は354 ± 54（統計）± 95（系誤差）fbであり、標準模型の予測と整合的である。
• Zボソンと少なくとも1つのWボソンがレプトンに崩壊するマルチレプトン最終状態に焦点を当てたことで、高い信号純度が達成された。
• ブーストされたトップクォーク領域（pT > 270 GeV）を含めることで、特に有効場理論の文脈において新しい物理への感度が向上した。
• 特にttZのようなバックグラウンドプロセスは、シミュレーションおよび解析において干渉効果を考慮して正確にモデル化された。
• 選別後、信号イベントのトリガー効率はほぼ100%であったため、信号候補の損失は最小限に抑えられた。