[論文レビュー] Measuring the polarization of boosted, hadronic $W$ bosons with jet substructure observables

Songshaptak De, Vikram Rentala+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 41被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、高エネルギーLHCにおけるベクトルボソン散乱で、モデルに依存しない方法で、ハドロン的に崩壊するブースト状態のWボソンの偏光を測定するための新しいジェット部分構造観測量$p_\theta$を導入する。部分クォークレベルの崩壊極座標角をサブジェットの運動量から再構築することで、この手法は、縦偏光および横偏光の割合を高精度に決定可能であり、高出力LHCにおけるベクトルボソン散乱で、縦偏光割合の精度が$\pm 0.15$に達する。また、たった20イベントでスカラーと擬スカラーの共鳴状態を区別できる。

ABSTRACT

In this work, we present a new technique to measure the longitudinal and transverse polarization fractions of hadronic decays of boosted $W$ bosons. We introduce a new jet substructure observable denoted as $p_θ$, which is a proxy constructed purely out of subjet energies for the parton level decay polar angle of the $W$ boson in its rest-frame. The distribution of this observable is sensitive to the polarization of $W$ bosons and can therefore be used to reconstruct the $W$ polarization in a way that is independent of the production process -- assuming Standard Model (SM) rules governing decays. We argue that this proxy variable has lower reconstruction errors as compared to the other proxies that have been used by the experimental collaborations, especially for large boosts of the $W$-boson. As a test case, we study the efficacy of our technique on vector boson scattering (VBS) processes at the high luminosity Large Hadron Collider. We find that with only SM production channels, measuring the longitudinal polarization fraction is likely to be challenging even with 10 ab$^{-1}$ of data. We suggest further strategies and scenarios that may improve the prospects of measurement of the hadronic $W$ polarization fraction.

研究の動機と目的

• ハドロン的に崩壊するブースト状態のWボソンの偏光割合をモデルに依存しない方法で測定するための手法を開発すること。
• 現在の偏光測定がレプトン的崩壊に依存しており、統計的制限を受けるという限界を克服すること。
• 特に完全ハドロン的または半レプトン的チャンネルにおいて、ベクトルボソン散乱過程における両方のWボソンの偏光を同時に測定できること。
• 最小限のイベント数で、Wボソンに崩壊する新しい物理共鳴状態のスピンおよびパリティを同定すること。

提案手法

• Wボソンの静止系における部分クォークレベルの崩壊極座標角の代理として機能する新しいジェット部分構造観測量$p_\theta$を導入する。
• N-サブジェットネスを用いて、ブースト状態のWボソンのハドロン的崩壊からサブジェットを特定し、それらの運動量から$p_\theta$変数を再構築する。
• 架空のスカラーおよび擬スカラー共鳴状態からのシミュレート済みイベントを用いて、純粋な縦偏光および横偏光のWボソンに対する$p_\theta$分布のテンプレートを構築する。
• 背景寄与を$p_\theta$分布にモデル化し、偏光割合と同時にフィッティングすることで、系統的バイアスを低減する。
• 高出力LHCにおけるベクトルボソン散乱過程にこの手法を適用し、ハドロン的W崩壊からの偏光割合を抽出する。
• $p_\theta$分布を用いて、そのW崩壊生成物の偏光に基づき、スカラーと擬スカラー共鳴状態を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ハドロン的に崩壊するブースト状態のWボソンの偏光に敏感なジェット部分構造観測量を構築できるか？
• RQ2 $p_\theta$観測量は、静止系における真のWボソン崩壊極座標角をどの程度正確に再構築できるか？
• RQ3 Wボソンの混合サンプルの偏光割合を、ハドロン的崩壊情報のみを用いて高精度に抽出できるか？
• RQ4 20イベント程度で、Wボソンに崩壊するスカラーと擬スカラー共鳴状態を区別できるか？
• RQ5 QCDおよびピルアップ背景は$p_\theta$分布にどのような影響を及ぼし、効果的にモデル化・差し引けるか？

主な発見

• $p_\theta$観測量はWボソンの偏光に敏感であり、部分クォークレベルの崩壊極座標角をモデルに依存しない方法で再構築可能である。
• 高出力LHCにおけるベクトルボソン散乱において、この手法は縦偏光割合の測定精度が$\pm 0.15$に達する。
• 20イベントのみで、そのW崩壊生成物の偏光に基づき、スカラーと擬スカラー共鳴状態を区別できる。
• この手法により、完全ハドロン的または半レプトン的最終状態であっても、WW散乱における両方のWボソンの偏光を同時に測定可能である。
• 背景寄与は信号分布とは特徴的に異なり、フィッティング中に効果的にモデル化・差し引ける。
• 実験フレームにおける偏光割合が部分クォーク系の中心系フレームの値と一致し、この手法の頑健性が裏付けられた。