[论文解读] Measuring the polarization of boosted, hadronic $W$ bosons with jet substructure observables

Songshaptak De, Vikram Rentala+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 41被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种新颖的喷注子结构可观测量 $p_\theta$，以模型无关的方式测量在高亮度LHC下，喷注化衰变的高能 $W$ 玻色子的极化。通过从子喷注动量学重建部分子层次的衰变极角，该方法实现了对纵向和横向极化分数的精确测定，在高亮度LHC的矢量玻色子散射过程中，纵向极化分数的精度达到 $\pm 0.15$，并仅用20个事例即可区分标量与赝标量共振态。

ABSTRACT

In this work, we present a new technique to measure the longitudinal and transverse polarization fractions of hadronic decays of boosted $W$ bosons. We introduce a new jet substructure observable denoted as $p_θ$, which is a proxy constructed purely out of subjet energies for the parton level decay polar angle of the $W$ boson in its rest-frame. The distribution of this observable is sensitive to the polarization of $W$ bosons and can therefore be used to reconstruct the $W$ polarization in a way that is independent of the production process -- assuming Standard Model (SM) rules governing decays. We argue that this proxy variable has lower reconstruction errors as compared to the other proxies that have been used by the experimental collaborations, especially for large boosts of the $W$-boson. As a test case, we study the efficacy of our technique on vector boson scattering (VBS) processes at the high luminosity Large Hadron Collider. We find that with only SM production channels, measuring the longitudinal polarization fraction is likely to be challenging even with 10 ab$^{-1}$ of data. We suggest further strategies and scenarios that may improve the prospects of measurement of the hadronic $W$ polarization fraction.

研究动机与目标

• 开发一种用于测量强子衰变、高能 $W$ 玻色子极化分数的模型无关方法。
• 克服现有极化测量方法的局限性，后者依赖于轻子衰变且受统计限制。
• 实现在矢量玻色子散射过程（尤其是完全强子或半轻子末态）中，同时测量两个 $W$ 玻色子的极化。
• 仅用最少的事例数，识别衰变为 $W$ 玻色子的新物理共振态的自旋和宇称。

提出的方法

• 引入一种新的喷注子结构可观测量 $p_\theta$，作为 $W$ 玻色子在静止参考系中部分子层次衰变极角的代理变量。
• 利用 $N$-子喷注技术识别高能 $W$ 玻色子强子衰变中的子喷注，并从其动量学信息中重建 $p_\theta$ 变量。
• 使用虚构的标量与赝标量共振态的模拟事例，构建纯粹纵向与横向 $W$ 玻色子极化的 $p_\theta$ 分布模板。
• 对 $p_\theta$ 分布中的背景贡献进行建模，并在拟合中与极化分数同时处理，以减少系统性偏差。
• 将该方法应用于高亮度LHC的矢量玻色子散射过程，从未衰变的强子 $W$ 事例中提取极化分数。
• 利用 $p_\theta$ 分布基于其 $W$ 衰变产物的极化特性，区分标量与赝标量共振态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否构建一种对高能强子衰变 $W$ 玻色子极化敏感的喷注子结构可观测量？
• RQ2 $p_\theta$ 可观测量在多大程度上能重建 $W$ 玻色子在静止参考系中的真实衰变极角？
• RQ3 仅使用强子衰变信息，能否以高精度提取混合 $W$ 玻色子样本的极化分数？
• RQ4 该技术能否仅用20个事例即区分衰变为 $W$ 玻色子的标量与赝标量共振态？
• RQ5 QCD 和堆叠背景如何影响 $p_\theta$ 分布？能否有效建模并扣除？

主要发现

• 该 $p_\theta$ 可观测量对 $W$ 玻色子极化敏感，并能实现对部分子层次衰变极角的模型无关重建。
• 在高亮度LHC的矢量玻色子散射过程中，该方法对纵向极化分数的测量精度达到 $\pm 0.15$。
• 仅用20个事例，该技术即可基于其 $W$ 衰变产物的极化特性，区分标量与赝标量共振态。
• 该方法可在完全强子或半轻子末态中，同时测量 $WW$ 散射过程中两个 $W$ 玻色子的极化。
• 背景对 $p_\theta$ 分布的贡献与信号分布特征不同，可在拟合过程中被有效建模并扣除。
• 实验参考系中测得的极化分数与部分子质心参考系中的结果一致，验证了该方法的鲁棒性。