[论文解读] Observation of gauge boson joint-polarisation states in $W^{\pm}Z$ production from $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次在 √s = 13 TeV 的质子-质子碰撞中观测到 W±Z 玻色子对的联合极化，使用了 CERN ATLAS 探测器获取的 139 fb⁻¹ 数据。该研究以 7.1σ 的显著性测量了联合螺旋度分数，结果为 f₀₀ = 0.067 ± 0.010，f₀ₜ = 0.110 ± 0.029，fₜ₀ = 0.179 ± 0.023，fₜₜ = 0.644 ± 0.032，与下一阶微扰量子色动力学标准模型预测一致。

ABSTRACT

Measurements of joint-polarisation states of W and Z gauge bosons in W±Z production are presented. The data set used corresponds to an integrated luminosity of 139 fb−1 of proton–proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV recorded by the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The W±Z candidate events are reconstructed using leptonic decay modes of the gauge bosons into electrons and muons. The simultaneous pair-production of longitudinally polarised vector bosons is measured for the first time with a significance of 7.1 standard deviations. The measured joint helicity fractions integrated over the fiducial region are f00=0.067±0.010, f0T=0.110±0.029, fT0=0.179±0.023 and fTT=0.644±0.032, in agreement with the next-to-leading-order Standard Model predictions. Individual helicity fractions of the W and Z bosons are also measured and found to be consistent with joint helicity fractions within the expected amounts of correlation. Both the joint and individual helicity fractions are also measured separately in W+Z and W−Z events. Inclusive and differential cross sections for several kinematic observables sensitive to polarisation are presented.

研究动机与目标

• 测量在 √s = 13 TeV 条件下 W±Z 产生过程中 W 与 Z 玻色子的联合极化态。
• 通过螺旋度关联关系检验标准模型的规范对称性与电弱对称性自发破缺机制。
• 通过极化行为的偏离探测标准模型之外的新物理。
• 测量对螺旋度态敏感的包含截面与微分截面，范围限定在几何可观察区域。

提出的方法

• 通过电子与μ子的轻子衰变重建 W±Z 事例。
• 采用联合自旋密度矩阵形式，将螺旋度分数 f₀₀、fₜₜ、f₀ₜ、fₜ₀ 定义为矩阵元的线性组合。
• 应用基于似然的拟合方法，从重建的运动学可观测量中提取螺旋度分数。
• 对 W 与 Z 玻色子的单独螺旋度分数 f₀、fₗ、fᵣ 分别进行测量。
• 将结果与下一阶微扰量子色动力学预测进行比较。
• 测量几何可观察区域内的包含截面与微分截面，作为与螺旋度态相关的角变量函数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 条件下观测到 W±Z 玻色子对的联合极化具有多大的显著性？
• RQ2 测量得到的联合螺旋度分数与下一阶标准模型预测相比如何？
• RQ3 W 与 Z 玻色子的单独螺旋度分数是否在预期相关性范围内与测量得到的联合分数一致？
• RQ4 W±Z 产生在几何可观察相空间中的包含截面与微分截面是多少？
• RQ5 W⁺Z 与 W⁻Z 事例之间是否存在可观测的极化差异？

主要发现

• 在 7.1 个标准差的显著性下，观测到 W 与 Z 玻色子同时处于纵向极化态。
• 测量得到的联合螺旋度分数为 f₀₀ = 0.067 ± 0.010，f₀ₜ = 0.110 ± 0.029，fₜ₀ = 0.179 ± 0.023，fₜₜ = 0.644 ± 0.032。
• 这些联合分数在不确定度范围内与下一阶标准模型预测一致。
• 对 W 与 Z 玻色子的单独螺旋度分数进行了测量，结果在预期相关性范围内与联合分数一致。
• 在几何可观察区域内测量了 W±Z 产生的包含截面，微分截面以对极化敏感的角可观测量为函数呈现。
• 在联合或单独螺旋度分数中均未观测到与标准模型的显著偏离，支持标准模型对弱玻色子产生的描述。