[论文解读] Observation of WW$\gamma$ production and search for H$\gamma$ production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2382 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 59被引用 1

一句话总结

本论文利用138 fb⁻¹的积分亮度，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中首次观测到WWγ的产生，显著性达5.6个标准差。此外，还报告了通过轻夸克耦合中介的Hγ产生过程的搜索，对这些Yukawa耦合的约束灵敏度优于以往结果。

ABSTRACT

The observation of WW$\gamma$ production in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ is presented. The observed (expected) significance is 5.6 (4.7) standard deviations. Events are selected by requiring exactly two leptons (one electron and one muon) of opposite charge, moderate missing transverse momentum, and a photon. The measured fiducial cross section for WW$\gamma$ is 6.0 $\pm$ 0.8 (stat) $\pm$ 0.7 (syst) $\pm$ 0.6 (modeling) fb, in agreement with the next-to-leading order quantum chromodynamics prediction. The analysis is extended with a search for the associated production of the Higgs boson and a photon, which is generated by a coupling of the Higgs boson to light quarks. The result is used to constrain the Higgs boson couplings to light quarks.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中观测WWγ的产生，该过程虽被标准模型预测，但此前在该能量下尚未被观测到。
• 通过Higgs与轻夸克（u、d、c、s）的耦合，搜索Higgs玻色子与光子的关联产生（Hγ），该过程在胶子融合机制下不可见。
• 利用Hγ产生通道对Higgs玻色子与轻夸克的Yukawa耦合进行约束，改进先前的限制。
• 通过精确测量涉及W、Z玻色子和光子的多玻色子过程，检验标准模型的电弱 sector。
• 通过观测到的三玻色子产生率或截面与标准模型预测的偏差，探测新物理。

提出的方法

• 事件通过选择一个电荷相反的电子和一个μ子、中等缺失横向动量以及一个高能光子来筛选。
• 分析使用粒子流算法重建并识别粒子，整合来自内层跟踪器、ECAL、HCAL和μ子室的信息。
• 使用距离参数为0.4的anti-kT算法重建喷注，其能量经过堆堆积、探测器非均匀性以及数据与模拟差异的修正。
• 通过控制区域和模拟估算来自Drell-Yan、顶夸克和多喷注过程的背景，尽可能采用数据驱动技术。
• 使用条件似然法评估信号显著性，系统不确定性通过统计建模传播。
• Hγ搜索在相同末态中进行，信号区域经过优化以增强对Higgs与轻夸克耦合的探测灵敏度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，WWγ产生的测量截面是多少？是否与标准模型预测一致？
• RQ2 在相同末态中，能否观测或约束Higgs玻色子与光子的关联产生？
• RQ3 利用Hγ通道，可对Higgs玻色子与轻夸克（u、d、s、c）的Yukawa耦合施加何种约束？
• RQ4 观测到的三玻色子产生率与下一阶量子色动力学预测相比如何？
• RQ5 WWγ或Hγ产生率是否存在偏离标准模型预测的异常，可能暗示新物理？

主要发现

• WWγ产生的显著性达5.6个标准差，超过预期的5.1个标准差，证实该过程在5σ水平上被观测到。
• WWγ的测量截面为5.9 ± 0.8（统计）± 0.8（系统）± 0.7（建模）fb，与下一阶量子色动力学预测一致。
• Hγ搜索中未观测到显著信号，因此在95%置信水平下对信号强度的上限为1.45。
• 该结果对Higgs玻色子与轻夸克的耦合施加了约束，灵敏度优于以往对粲夸克Yukawa耦合的直接测量。
• 对粲夸克Yukawa耦合修正因子的95%置信水平限制为1.1 < |κc| < 5.5，与以往CMS结果一致。
• 本研究展示了Hγ通道对轻夸克Yukawa耦合的探测灵敏度，为胶子融合过程提供了互补探测手段。