[论文解读] Observation of Same-Sign WW Production from Double Parton Scattering in Proton-Proton Collisions at √s =13 TeV

CMS 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，首次观测到通过双 parton 散射（DPS）产生的同号 W 玻色子对。测量得到的同号 W±W± 产生截面为 80.7 ± 11.2（统计）⁺⁹.⁵₋₈.₆（系统）±12.1（模型）fb，显著性达到高于背景的 6.2 个标准差。

ABSTRACT

The first observation of the production of W^{±}W^{±} bosons from double parton scattering processes using same-sign electron-muon and dimuon events in proton-proton collisions is reported. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb^{-1} recorded at a center-of-mass energy of 13 TeV using the CMS detector at the CERN LHC. Multivariate discriminants are used to distinguish the signal process from the main backgrounds. A binned maximum likelihood fit is performed to extract the signal cross section. The measured cross section for production of same-sign W bosons decaying leptonically is 80.7±11.2(stat) _{-8.6}^{+9.5}(syst)±12.1(model) fb, whereas the measured fiducial cross section is 6.28±0.81(stat)±0.69(syst)±0.37(model) fb. The observed significance of the signal is 6.2 standard deviations above the background-only hypothesis.

研究动机与目标

• 在质子-质子碰撞中观测双 parton 散射（DPS）过程，以深入了解质子内部的横向结构和 parton 相关性。
• 测量同号 W±W± 玻色子对产生的截面，该过程在单 parton 散射中高度抑制，但在 DPS 中被增强。
• 通过优化分析策略，特别是针对同号电子-μ子和二μ子末态，提高对 DPS 信号的灵敏度。
• 利用实验数据验证 DPS 的理论模型，特别是包含双 parton 分布函数（dPDFs）的模型。
• 通过排除双电子末态并优化轻子识别与隔离标准，减少背景贡献。

提出的方法

• 采用多变量判别方法，以区分 DPS 信号事件与主要背景（包括 Drell-Yan 和顶夸克过程）。
• 对 138 fb⁻¹ 的积分亮度数据进行分箱最大似然拟合，以提取信号截面。
• 应用运动学和拓扑选择标准，要求轻子起源于主要顶点，并满足轻子隔离要求。
• 使用粒子流算法重建所有粒子，整合来自内层探测器、ECAL、HCAL 和 μ 子探测器的信息。
• 采用两级触发系统（L1 和高级触发）以高效选择具有高横动量轻子的事件。
• 利用多变量分析（MVA）校准轻子识别，结合轨迹与能量匹配及轫致辐射抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在 13 TeV 的质子-质子碰撞中实验观测到通过双 parton 散射产生的同号 W±W±？
• RQ2 在 DPS 机制下，同号 W 玻色子对产生的测量截面是多少？
• RQ3 在选定末态中，信号相对于仅含背景的假设具有多高的显著性？
• RQ4 包含 dPDF 的双 parton 散射理论模型在多大程度上描述了观测数据？
• RQ5 通过优化分析策略——特别是排除双电子末态——在多大程度上提高了对 DPS 信号的灵敏度？

主要发现

• 首次实验观测到通过双 parton 散射产生的同号 W±W±，显著性达到高于背景假设的 6.2 个标准差。
• 测量得到的同号 W±W± 产生的总截面为 80.7 ± 11.2（统计）⁺⁹.⁵₋₈.₆（系统）±12.1（模型）fb。
• 限制于重建轻子相空间的截面（束缘截面）测量值为 6.28 ± 0.81（统计）± 0.69（系统）± 0.37（模型）fb。
• 信号显著性超过发现所需的 5σ 阈值，证实了该末态中 DPS 的观测。
• 通过排除因背景较高而影响较大的双电子末态，优化后的分析策略显著提升了信号灵敏度。
• 结果与基于双 parton 分布函数（dPDFs）的理论预期一致，支持使用 dShower 作为 DPS 过程可靠蒙特卡洛生成器。