[논문 리뷰] Observation of Same-Sign WW Production from Double Parton Scattering in Proton-Proton Collisions at √s =13 TeV

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 이중 파트온 산란(DPS)을 통한 동일 전하의 W 보손 쌍 생성을 처음으로 관측했다. 동일 전하의 W±W± 생성에 대한 측정된 단면적은 80.7 ± 11.2 (통계)⁺⁹.⁵₋₈.₆ (계측) ±12.1 (모델) fb이며, 배경에 비해 6.2 표준편차의 유의성을 보였다.

ABSTRACT

The first observation of the production of W^{±}W^{±} bosons from double parton scattering processes using same-sign electron-muon and dimuon events in proton-proton collisions is reported. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb^{-1} recorded at a center-of-mass energy of 13 TeV using the CMS detector at the CERN LHC. Multivariate discriminants are used to distinguish the signal process from the main backgrounds. A binned maximum likelihood fit is performed to extract the signal cross section. The measured cross section for production of same-sign W bosons decaying leptonically is 80.7±11.2(stat) _{-8.6}^{+9.5}(syst)±12.1(model) fb, whereas the measured fiducial cross section is 6.28±0.81(stat)±0.69(syst)±0.37(model) fb. The observed significance of the signal is 6.2 standard deviations above the background-only hypothesis.

연구 동기 및 목표

• 양성자-양성자 충돌에서 이중 파트온 산란(DPS) 과정을 관측하여 양성자 내의 횡방향 구조와 파트온 상관관계에 대한 통찰을 제공한다.
• 단일 파트온 산란에서는 매우 억제되는 반면 DPS에서는 증폭되는 동일 전하의 W±W± 보손 쌍 생성에 대한 단면적을 측정한다.
• 특히 동일 전하의 전자-뮤온 및 이뮤온 최종 상태에 대해 분석 전략을 최적화하여 DPS 신호에 대한 민감도를 향상시킨다.
• 이론적 모델, 특히 이중 파트온 분포 함수(dPDFs)를 포함한 모델을 실험 데이터로 검증한다.
• 이electrond final state를 제외하고 레프톤 식별 및 고립 조건을 정밀하게 조정하여 배경 기여를 줄인다.

제안 방법

• 주로 Drell-Yan 및 톰 쿼크 과정과 같은 주요 배경과를 구분하기 위해 다변량 판별 방법을 사용하였다.
• 138 fb⁻¹의 통합 루미너시티를 수집한 √s = 13 TeV에서의 데이터를 바탕으로, 구간별 최대우도 추정을 수행하여 신호 단면적을 추출하였다.
• 레프톤이 주 충돌점에서 기인했고, 레프톤 고립 조건을 충족하도록 운동학적 및 위상적 선택 기준을 적용하였다.
• 트래커, ECAL, HCAL 및 뮤온 검출기의 정보를 통합하여 모든 입자를 재구성하기 위해 입자 흐름 알고리즘을 사용하였다.
• 고전압 레프톤을 포함한 이벤트를 효율적으로 선택하기 위해 이중 수준의 트리거 시스템(L1 및 고수준 트리거)을 구현하였다.
• 트랙-에너지 일치 및 브레머슈탈랑 감소를 통합한 다변량 분석(MVA)을 사용하여 레프톤 식별을 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 이중 파트온 산란을 통한 동일 전하의 W±W± 생성을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ2 DPS 메커니즘에서 동일 전하의 W 보손 쌍 생성에 대한 측정된 단면적은 얼마인가?
• RQ3 선택된 최종 상태에서 배경 전용 가설에 비해 신호는 얼마나 유의미한가?
• RQ4 이중 파트온 산란 이론 모델, 특히 dPDFs를 포함한 모델은 관측된 데이터를 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ5 특히 이electrond 최종 상태를 제외함으로써 분석 전략을 최적화하면 DPS 신호에 대한 민감도는 얼마나 향상되는가?

주요 결과

• 이중 파트온 산란을 통한 동일 전하의 W±W± 생성에 대한 실험적 관측이 배경 전용 가설에 비해 6.2 표준편차의 유의성으로 이루어졌으며, 이는 발견 기준을 충족한다.
• 동일 전하의 W±W± 생성에 대한 총 단면적 측정치는 80.7 ± 11.2 (통계)⁺⁹.⁵₋₈.₆ (계측) ±12.1 (모델) fb이다.
• 재구성된 레프톤이 포함된 위상공간에 제한된 피드유얼 단면적은 6.28 ± 0.81 (통계) ± 0.69 (계측) ± 0.37 (모델) fb로 측정되었다.
• 신호 유의성은 발견에 필요한 5σ 기준을 초과하여, 이 최종 상태에서 DPS의 관측을 확인하였다.
• 이electrond 최종 상태를 제외함으로써 배경이 더 높기 때문에 최적화된 분석 전략이 신호 민감도를 크게 향상시켰다.
• 결과는 이중 파트온 분포 함수(dPDFs)를 기반으로 한 이론적 예측과 일치하며, dShower를 DPS 과정에 대한 신뢰할 수 있는 몬테카를로 생성기로 사용하는 데 대한 지지를 제공한다.