[논문 리뷰] Study of same-sign W boson scattering and anomalous couplings in events with one tau lepton from pp collisions at $\sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2393명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 CMS 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 타우 렙톤 최종 상태를 통한 동일 전하의 W 보손 산란을 처음으로 관측한다. 양성자-양성자 충돌에서 전약한 동일 전하의 WW 산란의 측정된 단면적은 표준모형 예측의 1.44⁺⁰.⁶³₋₀.⁵⁶ 배이며, 차원 6 및 차원 8 효과적 양자장 이론 연산자를 통한 새로운 물리의 탐색을 포함한다.

ABSTRACT

A first measurement is presented of the cross section for the scattering of same-sign W boson pairs via the detection of a $ au$ lepton. The data from proton-proton collisions at the center-of-mass energy of 13 TeV were collected by the CMS detector at the LHC, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events were selected that contain two jets with large pseudorapidity and large invariant mass, one $ au$ lepton, one light lepton (e or $\mu$), and significant missing transverse momentum. The measured cross section for electroweak same-sign WW scattering is 1.44$^{+0.63}_{-0.56}$ times the standard model prediction. In addition, a search is presented for the indirect effects of processes beyond the standard model via the effective field theory framework, in terms of dimension-6 and dimension-8 operators.

연구 동기 및 목표

• 타우 렙톤을 포함한 새로운 최종 상태에서 동일 전하의 W 보손 산란 단면적을 측정하기 위해.
• 효과적 양자장 이론 연산자를 통해 표준모형을 초월한 새로운 물리의 간접적 영향을 탐색하기 위해.
• 표준모형 예측이 플레버 위반 또는 비정상적인 결합에 대해 민감도가 높은 최종 상태에서 전약한 벡터 보손 산란을 테스트하기 위해.
• 특히 W′-τ 결합이 강화된 경우의 G(221) 모델과 같은 시나리오에서 새로운 물리의 잠재적 가능성을 탐색하기 위해.

제안 방법

• CMS 검출기에서 수집한 √s = 13 TeV에서의 138 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 분석하였다.
• 두 개의 고프시오다리티, 고상관질량 제트, 한 개의 타우 렙톤(강입성 붕괴), 한 개의 경량 렙톤(e 또는 µ), 그리고 상당한 부족한 횡방향 운동량을 가진 이벤트를 선별하였다.
• 신호와 배경(QCD 및 전약한 기여 포함)을 구분하기 위해 다변량 분석 기법을 사용하였다.
• 표준모형 효과적 양자장 이론(SMEFT) 프레임워크를 활용하여 표준모형 예측에서의 편차를 해석하였으며, 차원 6 및 차원 8 연산자를 포함하였다.
• 체계적 불확실성을 고려한 우도 기반 접근법을 사용하여, 비정상적인 결합에 대한 윌슨 계수를 동시에 피팅하였다.
• 전용 제어 영역을 활용하여 분석을 검증하고, 시뮬레이션 기반으로 검출기 효과 및 재구성 효율을 校정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강입성 붕괴하는 타우 렙톤을 포함한 최종 상태에서 동일 전하의 W 보손 산란의 측정된 단면적은 무엇인가요?
• RQ2 관측된 데이터는 이 과정에 대해 표준모형 예측과 어떻게 비교되나요?
• RQ3 차원 6 및 차원 8 효과적 양자장 이론 연산자를 통한 비정상적인 결합에 대한 제약 조건은 무엇인가요?
• RQ4 특히 W′-τ 결합이 강화된 모델에서 이 최종 상태에 간접적인 새로운 물리 신호가 존재하는가요?
• RQ5 효과적 양자장 이론 프레임워크는 표준모형을 초월한 새로운 물리 스케일을 제약 조건으로 설정할 수 있는가요?

주요 결과

• 전약한 동일 전하의 WW 산란에 대한 측정된 단면적은 표준모형 예측의 1.44⁺⁰.⁶³₋₀.⁵⁶ 배이다.
• 측정된 결과는 불확도 범위 내에서 표준모형 예측과 일치하며, 표준모형에서의 유의미한 편차는 관측되지 않았다.
• 차원 6 및 차원 8 SMEFT 연산자에 대한 제약 조건이 도출되었으며, 윌슨 계수에 대해 95% 신뢰수준의 한계가 설정되었다.
• 이 분석은 새로운 물리 스케일에 대한 새로운 한계를 설정하였으며, 특정한 연산자 조합에 대해 ΛBSM > 3.0 TeV이다.
• 강입성 타우 렙톤을 포함한 최종 상태는 BSM 모델에서 플레버 위반 또는 비정상적인 결합에 대해 향상된 민감도를 제공한다.
• 결과는 질량이 3.0 TeV 이하에서 τντℓνℓjj 최종 상태에 새로운 공명이 존재하지 않는다는 점과 일치한다.