[논문 리뷰] Observation of electroweak W$^+$W$^-$ pair production in association with two jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2343명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 두 조각을 동반한 전약 W⁺W⁻ 쌍 생성을 처음으로 관측했다. 신호는 반대 전하의 렙톤 두 개와 고질량, 넓게 분리된 두 조각으로 식별되며, 유의도는 5.6σ이고, 측정된 허용 구역 단면적은 10.2 ± 2.0 fb로 표준모형 예측인 9.1 ± 0.6 fb와 일치한다.

ABSTRACT

An observation is reported of the electroweak production of a W$^+$W$^−$ pair in association with two jets, with both W bosons decaying leptonically. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138fb$^{−1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13TeV, collected by the CMS detector at the CERN LHC. Events are selected by requiring exactly two opposite-sign leptons (electrons or muons) and two jets with large pseudorapidity separation and high dijet invariant mass. Events are categorized based on the flavor of the final-state leptons. A signal is observed with a significance of 5.6 standard deviations (5.2 expected) with respect to the background-only hypothesis. The measured fiducial cross section is 10.2 $±$ 2.0fb and this value is consistent with the standard model prediction of 9.1 $±$ 0.6fb.

연구 동기 및 목표

• 두 조각을 동반한 W⁺W⁻ 쌍의 전약 생성을 관측하여 이는 이전에 실험적으로 관측되지 않은 과정이다.
• 정밀한 벡터 보손 산란 측정을 통해 전약 대칭 파괴 메커니즘을 탐색하고 새로운 물리 현상을 테스트한다.
• 고디제트 질량과 큰 의사속도도 분리도와 같은 운동학적 서명을 통해 전약 생성을 주로 QCD 유도 배경과 구별한다.
• b-조각 비활성화와 데이터 기반 제어 영역을 통해 토퍼 쿼크 쌍(tt̄) 배경을 억제한다.
• 허용 구역 단면적을 측정하고 표준모형 예측과 비교하여 전약 부문을 검증한다.

제안 방법

• 이벤트는 이중 단계 트리거 시스템을 사용하여 선택된다: 하드웨어 기반 빠른 결정을 하는 레벨-1(L1), 그 다음 전체 재구성을 위한 고수준 트리거(HLT).
• 신호 선택은 정확히 두 개의 반대 전하 렙톤(e±, μ±)과 큰 의사속도도 분리도(|Δηjj| > 2.0) 및 고디제트 진동 질량(mjj > 600 GeV)을 가진 두 조각이 필요하다.
• Drell–Yan 배경 오염이 낮기 때문에 eμ 최종 상태가 우선시된다.
• W 보손 붕괴에서 발생하는 중성미온을 식별하기 위해 미량의 횡방향 운동량(pTmiss)을 사용한다.
• 배경은 데이터 기반 방법으로 추정된다: tt̄ 오염은 토퍼 이벤트가 풍부한 제어 영역을 통해 측정되며, QCD 및 Drell–Yan 기여는 전용 제어 영역을 통해 제약된다.
• 검출기 효과와 트리거 비효율성(특히 고운동량 전자에서 |η| > 2.5)은 시뮬레이션에 데이터 기반 보정 인자를 적용하여 보정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CMS 검출기로 √s = 13 TeV에서 두 조각을 동반한 전약 W⁺W⁻ 생성을 관측할 수 있는가?
• RQ2 전약 W⁺W⁻ + 조각 생성의 운동학적 서명은 QCD 유도 배경과 토퍼 쿼크 쌍 배경과 어떻게 다를까?
• RQ3 전약 W⁺W⁻ + 조각 생성의 측정된 허용 구역 단면적은 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 데이터 기반 제어 영역을 통해 tt̄ 배경은 어느 정도 억제되고 정확하게 모델링될 수 있는가?
• RQ5 정밀한 벡터 보손 산란 측정을 통해 W 보손 결합에서의 새로운 물리 효과에 분석은 얼마나 민감한가?

주요 결과

• 전약 W⁺W⁻ + 두 조각 생성 과정은 5.6 표준편차의 유의도로 관측되었으며, 예상 배경만 존재할 경우의 5.2σ를 초과했다.
• 측정된 허용 구역 단면적은 10.2 ± 2.0 fb로, 표준모형 예측인 9.1 ± 0.6 fb와 뛰어난 일치를 보였다.
• 신호 영역은 큰 |Δηjj|와 고mjj를 가진 이벤트로 풍부하며, 전약 벡터 보손 산란 구조와 일치한다.
• eμ 최종 상태는 Drell–Yan 배경이 감소하여 분석의 민감도를 높여서 기여가 크다.
• b-조각 비활성화와 데이터 기반 제어 영역을 통해 tt̄ 배경은 효과적으로 억제되었으며, 시스템적 불확실성이 감소했다.
• 이 분석은 LHC에서 희귀 전약 과정을 해상할 수 있는 CMS 검출기의 능력을 입증하며, 힉스 부문의 정밀 테스트와 새로운 물리 탐색을 가능하게 한다.