[논문 리뷰] Measurement of $Z\gamma \gamma $ production in pp collisions at $\sqrt{s}= 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration, Aad, Georges외 2968명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 실험에서 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 Zγγ 생성을 처음으로 측정한다. 139 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 12% 정밀도로 영역 단위 횡단단면을 측정하고, 렙톤성 Z 붕괴와 최종 상태 복사 방출을 억제함으로써 여섯 개의 운동량 변수에 대한 미분 횡단단면을 측정하며, 효과적 장 이론 프레임워크 내에서 차원-8 연산자에 대한 제약 조건을 설정한다.

ABSTRACT

Cross-sections for the production of a Z boson in association with two photons are measured in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used correspond to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC. The measurements use the electron and muon decay channels of the Z boson, and a fiducial phase-space region where the photons are not radiated from the leptons. The integrated $Z( ightarrow \ell \ell )\gamma \gamma $ cross-section is measured with a precision of 12% and differential cross-sections are measured as a function of six kinematic variables of the $Z\gamma \gamma $ system. The data are compared with predictions from MC event generators which are accurate to up to next-to-leading order in QCD. The cross-section measurements are used to set limits on the coupling strengths of dimension-8 operators in the framework of an effective field theory.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 Zγγ 생성 횡단단면을 고정밀도로 측정하기 위해.
• 광자들이 렙톤에서 복사되지 않는 영역 단위 운동량 공간를 선택하여 최종 상태 복사 기여를 억제하기 위해.
• Zγγ 시스템의 여섯 개의 운동량 변수에 따라 변화하는 미분 횡단단면을 추출하기 위해.
• 효과적 장 이론(EFT) 접근법을 통해 비정상적인 중성 4중 보조 게이지 쿠퍼링에 대한 제약 조건을 설정하기 위해.
• Z(→ℓℓ)H(→γγ) 탐색과 ℓℓγγ 최종 상태에서의 공명 탐색에서의 잔여 배경에 대한 이해를 향상시키기 위해.

제안 방법

• LHC 런 2 동안 ATLAS 검출기에서 수집한 139 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 최종 상태 복사 기여를 제거하기 위해 영역 단위 운동량 공간 선택을 적용하며, 주로 초기 상태 복사와 3개의 온셸프 보손 생성에 집중한다.
• Z 보손의 전자 및 뮤온 붕괴 채널(Z → ℓ⁺ℓ⁻)을 사용하여 더 깔끔한 최종 상태와 배경 감소를 달성한다.
• 주로 제트가 광자로 잘못 식별되는 배경을 추정하기 위해 데이터 기반 기법과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용한다.
• 검출기 효과를 보정하기 위해 편향 제거 절차를 적용하여 영역 단위 부피 내 횡단단면을 측정한다.
• 결과를 NLO QCD 예측과 비교하고, 차원-8 연산자 계수에 대한 피팅을 통해 EFT 해석을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 Zγγ 생성에 대한 영역 단위 횡단단면은 얼마인가?
• RQ2 이중 렙톤 시스템, 이광자 시스템, 4체 시스템의 횡단단면은 각각의 횡방향 운동량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 효과적 장 이론을 통해 데이터는 비정상적인 중성 4중 보조 게이지 쿠퍼링에 얼마나 강하게 제약 조건을 설정하는가?
• RQ4 측정된 분포는 NLO QCD 예측과 SM 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 EFT 프레임워크 내에서 차원-8 연산자의 결합 강도에 대한 제한은 무엇인가?

주요 결과

• Z(→ℓℓ)γγ의 통합 횡단단면은 12%의 정밀도로 측정되어 표준 모형과 새로운 물리학에 대한 핵심 기준이 된다.
• E_T^γ1, E_T^γ2, p_T^ℓℓ, p_T^ℓℓγγ, m_γγ, m_ℓℓγγ에 따라 미분 횡단단면이 측정되었으며, 상세한 운동량 분석을 가능하게 한다.
• 모든 운동량 분포에서 데이터는 NLO QCD 예측과 양호한 일치를 보인다.
• EFT 프레임워크 내에서 차원-8 연산자의 결합 강도에 대한 제한이 설정되었으며, 95% 신뢰 수준에서 비단위화된 제한이 적용된다.
• 단위화 처리를 통해 EFT 제약 조건의 해석이 향상되어 새로운 물리 스케일에 대한 더 견고한 경계를 도출한다.
• 최종 상태 복사 기여가 억제되어 초기 상태 복사와 3개의 온셸프 보손 생성에 대한 더 깔끔한 탐색이 가능해졌다.