[论文解读] Measurement of the $ au$ lepton polarization in Z boson decays in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2366 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用LHC上CMS实验在√s = 13 TeV下收集的36.3 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，对Z → τ⁺τ⁻衰变中的τ轻子极化进行了高精度测量。通过分析τ轻子的轻子衰变和强子衰变模式，研究确定了Pτ(Z) = −0.144 ± 0.015，与标准模型预测一致，并得出sin²θeff_W = 0.2319 ± 0.0019，与LEP测量结果高度一致。

ABSTRACT

The polarization of $ au$ leptons is measured using leptonic and hadronic $ au$ lepton decays in Z $ o au^+ au^-$ events in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV recorded by CMS at the CERN LHC with an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. The measured $ au^-$ polarization at the Z boson mass pole is $\mathcal{P}_{ au}$(Z) = $-$0.144$\pm$0.006 (stat) $\pm$ 0.014 (syst) = $-$0.144$\pm$0.015, in good agreement with the measurement of the $ au$ lepton asymmetry parameter of $A_{ au}$ = 0.1439$\pm$0.0043 = $-\mathcal{P}_{ au}$(Z) at LEP. The $ au$ polarization depends on the ratio of the vector to axial-vector couplings of the $ au$ leptons in the neutral current expression, and thus on the effective weak mixing angle $\sin^{2} heta_\mathrm{W}^{ ext{eff}}$, independently of the Z boson production mechanism. The obtained value $\sin^{2} heta_\mathrm{W}^{ ext{eff}}$ = 0.2319$\pm$0.0008 (stat) $\pm$ 0.0018 (syst) = 0.2319$\pm$0.0019 is in good agreement with measurements at e$^+$e$^-$ colliders.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中测量Z → τ⁺τ⁻衰变中的τ轻子极化。
• 通过有效弱混合角sin²θeff_W检验弱中性流耦合中的轻子普遍性。
• 仅利用τ轻子耦合，独立于产生机制，实现对sin²θeff_W的高精度确定。
• 利用新的实验环境（pp碰撞）验证标准模型对Z玻色子衰变中τ轻子极化的预测。

提出的方法

• 通过组合轻子衰变模式（τₑ, τμ）和强子衰变模式（τₕ）重建Z → τ⁺τ⁻事例：τₑτμ, τₑτₕ, τμτₕ, τₕτₕ。
• 通过τ轻子静止参考系中τ衰变产物的角分布和能量分布测量极化。
• 利用微分截面公式dσ/dcosθτ = F₀(ŝ)(1 + cos²θτ) + 2F₁(ŝ)cosθτ − λτ[F₂(ŝ)(1 + cos²θτ) + 2F₃(ŝ)cosθτ]提取极化信息。
• 对τ衰变产物的角分布进行最大似然拟合，以确定Pτ和Aτ。
• 使用PYTHIA8和TAUOLA进行蒙特卡罗模拟，校正探测器效应和背景贡献。
• 同时拟合以提取Pτ(Z)和sin²θeff_W，不确定性来自统计和系统性来源的传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，Z → τ⁺τ⁻衰变中τ轻子极化Pτ的测量值是多少？
• RQ2 所测得的τ轻子极化与标准模型预测及e⁺e⁻对撞机上的先前测量结果相比如何？
• RQ3 所测得的极化在多大程度上约束了有效弱混合角sin²θeff_W？
• RQ4 该测量是否通过τ轻子的极化证实了Z玻色子耦合中的轻子普遍性？

主要发现

• 在Z玻色子质量极值处测得的τ⁻轻子极化为Pτ(Z) = −0.144 ± 0.015，其中统计不确定性为0.006，系统性不确定性为0.014。
• 该结果与LEP测量结果Aτ = 0.1439 ± 0.0043高度一致，证实了Pτ = −Aτ。
• 有效弱混合角确定为sin²θeff_W = 0.2319 ± 0.0019，与LEP测量结果一致。
• 该测量仅基于τ轻子耦合，独立于Z玻色子产生动力学，实现了对sin²θeff_W的精确确定。
• 结果支持标准模型预测的弱中性流相互作用中的轻子普遍性。
• 该分析展示了在高多重性pp碰撞环境中测量τ轻子极化的可行性与高精度。