[论文解读] Measurement of $Z\gamma \gamma $ production in pp collisions at $\sqrt{s}= 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration, Aad, Georges+2968 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）ATLAS实验在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹数据，首次测量了pp碰撞中Zγγ的产生过程。该研究以12%的精度测量了截面的领域能量截面，并在六个运动学变量上测量了微分截面，通过选择轻子衰变的Z玻色子并抑制末态辐射，使得在有效场论框架下能够对维度-8算符施加约束。

ABSTRACT

Cross-sections for the production of a Z boson in association with two photons are measured in proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used correspond to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS experiment during Run 2 of the LHC. The measurements use the electron and muon decay channels of the Z boson, and a fiducial phase-space region where the photons are not radiated from the leptons. The integrated $Z( ightarrow \ell \ell )\gamma \gamma $ cross-section is measured with a precision of 12% and differential cross-sections are measured as a function of six kinematic variables of the $Z\gamma \gamma $ system. The data are compared with predictions from MC event generators which are accurate to up to next-to-leading order in QCD. The cross-section measurements are used to set limits on the coupling strengths of dimension-8 operators in the framework of an effective field theory.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV下高精度测量pp碰撞中Zγγ的产生截面。
• 通过选择光子不从轻子辐射的领域能量相空间，抑制末态辐射的贡献。
• 测量Zγγ系统六个运动学变量的微分截面。
• 利用数据通过有效场论（EFT）方法对异常中性四线规范耦合施加限制。
• 提升对Z(→ℓℓ)H(→γγ)搜索及ℓℓγγ末态中共振搜索中不可约背景的理解。

提出的方法

• 利用大型强子对撞机（LHC）Run 2期间ATLAS探测器收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用领域能量相空间选择，排除末态辐射，聚焦于初态辐射和三玻色子（全部为壳上）产生过程。
• 采用Z玻色子的电子和μ子衰变道（Z → ℓ⁺ℓ⁻），以获得更清晰的末态并减少背景。
• 利用数据驱动技术与蒙特卡罗模拟估算背景，特别是将喷注误认为光子的贡献。
• 应用去卷积程序校正探测器效应，并在领域能量体积内测量截面。
• 将结果与NLO QCD预测进行比较，并通过拟合维度-8算符系数实现EFT解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下pp碰撞中Zγγ产生的领域能量截面是多少？
• RQ2 微分截面如何随二轻子系统、二光子系统及四体系统的横动量变化？
• RQ3 数据在有效场论框架下对异常中性四线规范耦合的约束程度如何？
• RQ4 测量得到的分布与NLO QCD预测及标准模型预期相比如何？
• RQ5 在EFT框架下，维度-8算符的耦合强度上限是多少？

主要发现

• Z(→ℓℓ)γγ的积分截面测量精度达到12%，为标准模型与新物理研究提供了关键基准。
• 在E_T^γ1、E_T^γ2、p_T^ℓℓ、p_T^ℓℓγγ、m_γγ和m_ℓℓγγ六个变量上测量了微分截面，提供了详细的运动学信息。
• 数据在所有运动学分布中与NLO QCD预测高度一致。
• 在EFT框架下对维度-8算符的耦合强度设定了上限，95%置信水平下为非幺正化结果。
• 通过幺正化处理改善了EFT约束的解释，得出了对新物理尺度更稳健的限制。
• 该测量有效抑制了末态辐射的贡献，从而更清晰地探测初态辐射与三玻色子（全部为壳上）产生过程。