[论文解读] Evidence for tWZ production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV in multilepton final states

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 42被引用 1

一句话总结

本论文利用LHC上CMS实验采集的138 fb⁻¹数据，首次在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中提供了顶夸克–W玻色子–Z玻色子（tWZ）过程的实验证据。该测量在多重轻子末态中进行，信号纯度较高，测得的截面为354 ± 54（统计）± 95（系统）fb，统计显著性为3.4σ，证实了在标准模型框架下tWZ过程的存在。

ABSTRACT

The first evidence for the standard model production of a top quark in association with a W boson and a Z boson is reported. The measurement is performed in multilepton final states, where the Z boson is reconstructed via its decays to electron or muon pairs and the W boson decays either to leptons or hadrons. The analysed data were recorded by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016-2018 in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The measured cross section is 354 $\pm$ 54 (stat) $\pm$ 95 (syst) fb, and corresponds to a statistical significance of 3.4 standard deviations.

研究动机与目标

• 在13 TeV质子-质子碰撞中，首次实现对稀有标准模型过程tWZ产生的实验观测。
• 在多重轻子末态中，以高灵敏度测量tWZ产生的总截面。
• 通过运动学分析和多变量分析技术，区分tWZ与主要背景（尤其是ttZ）的过程。
• 通过有效场论的考虑，探索tWZ作为探测标准模型之外新物理的潜力。

提出的方法

• 分析2016–2018年期间CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用双级触发系统，要求重建一个至三个轻子（电子或μ子）。
• 在顶夸克的低和高横动量（pT）区域，均使用多变量分析（MVA）技术以增强信号与背景的区分能力。
• 使用MADGRAPH5 aMC@NLO和PYTHIA8，在QCD的下一阶（NLO）水平上模拟信号和背景过程，PDF采用NNPDF3.1，在NNLO水平下进行。
• 在模拟中纳入tWZ与ttZ过程之间的干涉效应，特别是在QCD的NLO水平下。
• 将分析分别在低pT（pT < 270 GeV）和强子喷注（pT > 270 GeV）区域进行，以提高对新物理的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 tWZ产生过程是否可在LHC的多重轻子末态中实现实验观测？
• RQ2 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，tWZ产生的测量截面是多少？
• RQ3 tWZ与ttZ过程之间的干涉效应如何影响信号提取与背景建模？
• RQ4 包含强子喷注顶夸克区域在多大程度上提升了tWZ末态中新物理的探测灵敏度？

主要发现

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，首次以3.4倍标准差的统计显著性建立了tWZ产生的实验证据。
• 测得的tWZ截面为354 ± 54（统计）± 95（系统）fb，与标准模型预测一致。
• 通过聚焦于多重轻子末态，实现了高信号纯度，其中Z玻色子和至少一个W玻色子均发生轻子衰变。
• 包含强子喷注顶夸克区域（pT > 270 GeV）显著提升了对新物理的探测灵敏度，特别是在有效场论的背景下。
• 背景过程，尤其是ttZ，已在模拟和分析中精确建模，包括干涉效应的考虑。
• 信号事件的触发效率在选择后接近100%，确保了信号候选的最小损失。