[论文解读] Observation of $VVZ$ production at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

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-质子碰撞中首次观测到 $VVZ$（其中 $V = W, Z$）三玻色子衰变过程，数据来自大型强子对撞机 ATLAS 探测器的 140 fb$^{-1}$。测得的 $pp \to VVZ$ 产额截面为 $660^{+93}_{-90}$（统计）$^{+88}_{-81}$（系统）fb，显著性达 6.4 个标准差，证实了该过程在标准模型中的存在，并通过有效场论框架对新物理设定了约束。

ABSTRACT

A search for the production of three massive vector bosons, $VVZ (V=W, Z)$, in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV is performed using data with an integrated luminosity of $140$ fb$^{-1}$ recorded by the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. Events produced in the leptonic final states $WWZ o \ellν\ellν\ell \ell$ ($\ell=e, μ$), $WZZ o \ellν\ell\ell \ell\ell$, $ZZZ o \ell\ell \ell\ell \ell\ell$, and the semileptonic final states $WWZ o qq \ellν\ell \ell$ and $WZZ o \ellνqq \ell \ell$, are analysed. The measured cross section for the $pp ightarrow VVZ$ process is $660^{+93}_{-90}( ext{stat.})^{+88}_{-81}( ext{syst.})$ fb, and the observed (expected) significance is 6.4 (4.7) standard deviations, representing the observation of $VVZ$ production. In addition, the measured cross section for the $pp ightarrow WWZ$ process is $442 \pm 94 ( ext{stat.})^{+60}_{-52}( ext{syst.})$ fb, and the observed (expected) significance is 4.4 (3.6) standard deviations, representing evidence of $WWZ$ production. The measured cross sections are consistent with the Standard Model predictions. Constraints on physics beyond the Standard Model are also derived in the effective field theory framework by setting limits on Wilson coefficients for dimension-8 operators describing anomalous quartic gauge boson couplings.

研究动机与目标

• 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞中，观测包含至少一个 $Z$ 玻色子（$WWZ$、$WZZ$、$ZZZ$）的三玻色子衰变过程。
• 测量 $VVZ$ 过程的产额截面，并与标准模型预测进行比较。
• 通过异常四费米子规范耦合的约束，搜索新物理的偏离迹象。
• 分别提取 $WWZ$ 和 $WZZ$ 产生的信号强度参数，以及壳上 $VVZ$ 产生的信号强度参数。
• 在有效场论框架下，推导出维度-8 算符的威尔逊系数限制。

提出的方法

• 分析轻子态和半轻末态：$WWZ \to \ell\ell\ell\ell\ell\ell$、$WZZ \to \ell\ell\ell\ell\ell\ell$ 和 $ZZZ \to \ell\ell\ell\ell\ell\ell$，其中 $\ell = e, \mu$。
• 在每个通道中训练提升决策树（BDT）判别器，以增强信号与背景的分离能力。
• 采用分箱的最大似然拟合，整合多个通道的 BDT 输出，以提取信号强度 $\mu$。
• 对 $WWZ$、$WZZ$ 和壳上 $VVZ$ 产生分别进行信号强度提取，其中后者将希格斯辐射视为背景。
• 优化判别器以最大化对维度-8 算符引起的有效场论（EFT）贡献的敏感度。
• 将观测到的截面与标准模型预测进行比较，并推导出 EFT 威尔逊系数在 95% 置信水平下的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下，$pp \to VVZ$ 产额截面的测量值是多少？是否与标准模型预测一致？
• RQ2 数据中是否存在 $WWZ$ 和 $WZZ$ 三玻色子末态产生的证据？
• RQ3 基于维度-8 有效场论算符参数化的异常四费米子规范玻色子耦合，观测数据对其设定了何种约束？
• RQ4 与标准模型预期相比，$VVZ$ 产额的信号强度如何？其显著性是多少？
• RQ5 能否将希格斯辐射贡献与 $VVZ$ 信号分离？由此得到的壳上信号强度是多少？

主要发现

• $VVZ$ 产额截面的测量结果为 $660^{+93}_{-90}$（统计）$^{+88}_{-81}$（系统）fb，与标准模型预测一致。
• 观测到的 $VVZ$ 产额显著性为 6.4 个标准差，代表该过程的首次观测。
• 观测到 $WWZ$ 产生的证据，显著性为 4.4 个标准差，与标准模型预期一致。
• $VVZ$ 产额的信号强度测量为 $\mu = 1.00 \pm 0.16$（统计）$^{+0.13}_{-0.12}$（系统），表明与标准模型一致。
• 在 95% 置信水平下，对描述异常四费米子规范玻色子耦合的维度-8 算符的威尔逊系数设定了限制。
• 该分析展示了 ATLAS 探测器对稀有三玻色子过程的高灵敏度，并为标准模型电弱规范场提供了严格检验。