[论文解读] Observation of electroweak W$^+$W$^-$ pair production in association with two jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2343 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文报告了在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中，利用 138 fb⁻¹ 的 CMS 数据，首次观测到与两个喷注关联的电弱 W⁺W⁻ 对产生。信号通过两个电荷相反的轻子和两个高质质量、大分离度的喷注识别，显著性达 5.6σ，测得的截面为 10.2 ± 2.0 fb，与标准模型预测的 9.1 ± 0.6 fb 一致。

ABSTRACT

An observation is reported of the electroweak production of a W$^+$W$^−$ pair in association with two jets, with both W bosons decaying leptonically. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138fb$^{−1}$ of proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13TeV, collected by the CMS detector at the CERN LHC. Events are selected by requiring exactly two opposite-sign leptons (electrons or muons) and two jets with large pseudorapidity separation and high dijet invariant mass. Events are categorized based on the flavor of the final-state leptons. A signal is observed with a significance of 5.6 standard deviations (5.2 expected) with respect to the background-only hypothesis. The measured fiducial cross section is 10.2 $±$ 2.0fb and this value is consistent with the standard model prediction of 9.1 $±$ 0.6fb.

研究动机与目标

• 观测与两个喷注关联的电弱 W⁺W⁻ 对产生过程，该过程此前尚未在实验中被观测到。
• 通过精确测量矢量玻色子散射，探测电弱对称性自发破缺机制并检验新物理。
• 利用高二阶喷注质量与大伪快度分离等运动学特征，区分电弱产生与主导的 QCD 引致背景。
• 通过 b-夸克喷注 veto 和数据驱动控制区域，有效抑制 top 夸克对 (tt̄) 背景。
• 测量截面并与其标准模型预测值比较，以验证电弱规范场论部分。

提出的方法

• 事件通过两级触发系统选择：第一级（L1）基于硬件的快速决策，随后为高级触发（HLT）进行完整重建。
• 信号选择要求恰好两个电荷相反的轻子（e±, μ±）以及两个具有大伪快度分离度（|Δηjj| > 2.0）和高二阶喷注不变质量（mjj > 600 GeV）的喷注。
• 优先采用 eμ末态，因其 Drell–Yan 背景污染较低。
• 利用缺失横向动量（pTmiss）识别来自 W 玻色子衰变的中微子。
• 背景通过数据驱动方法估算：tt̄ 污染通过富含 top 事件的控制区域测量，而 QCD 和 Drell–Yan 贡献则通过专用控制区域约束。
• 通过应用基于数据的校正因子，对模拟结果进行修正，以补偿探测器效应和触发效率损失（尤其在 |η| > 2.5 区域的高 pT 电子）。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 13 TeV 下，利用 CMS 探测器能否观测到与两个喷注关联的电弱 W⁺W⁻ 产生？
• RQ2 电弱 W⁺W⁻ + 喷注产生的运动学特征与 QCD 引致及 top 夸克对背景有何不同？
• RQ3 电弱 W⁺W⁻ + 喷注产生的测得截面是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ4 通过数据驱动控制区域，tt̄ 背景在多大程度上可被有效抑制并准确建模？
• RQ5 该分析对 W 玻色子耦合中的新物理效应有多敏感，特别是通过精确测量矢量玻色子散射？

主要发现

• 电弱 W⁺W⁻ + 两喷注产生过程以 5.6σ 的显著性被观测到，超过预期的背景仅有的显著性（5.2σ）。
• 测得的截面为 10.2 ± 2.0 fb，与标准模型预测的 9.1 ± 0.6 fb 非常一致。
• 信号区域中事件在大 |Δηjj| 和高 mjj 下显著富集，与电弱矢量玻色子散射的拓扑结构一致。
• eμ 末态对信号贡献显著，且 Drell–Yan 背景较低，从而增强了分析的灵敏度。
• 通过 b-喷注 veto 和数据驱动控制区域，tt̄ 背景被有效抑制，系统误差减小。
• 该分析展示了 CMS 探测器在 LHC 上分辨稀有电弱过程的能力，为 Higgs 等量子数精确检验及新物理搜索提供了可能。