[论文解读] Precision measurement of the Z boson invisible width in pp collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2351 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）的CMS实验在√s = 13 TeV下采集的36.3 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，首次在强子对撞机上直接测量了Z玻色子的隐形宽度。通过比较Z+jets事件中Z→νν与Z→ℓℓ（ℓ = e, μ）衰变的运动学分布，测得隐形宽度为523 ± 3（统计）± 16（系统）MeV，这是迄今为止最精确的直接测量结果，与最佳LEP间接结果相当。

ABSTRACT

A precise measurement of the invisible width of the Z boson produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV is presented using data recorded by the CMS experiment at the LHC, corresponding to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. The result is obtained from a simultaneous fit to kinematic distributions for two data samples of Z boson plus jets: one dominated by Z boson decays to invisible particles and the other by Z boson decays to muon and electron pairs. The invisible width is measured to be 523 $\pm$ 3 (stat) $\pm$ 16 (syst) MeV. This result is the first precise measurement of the invisible width of the Z boson at a hadron collider, and is the single most precise direct measurement to date, competitive with the combined result of the direct measurements from the LEP experiments.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV的强子对撞机上首次直接测量Z玻色子的隐形宽度。
• 通过高精度测量隐形宽度，检验标准模型对轻子中微子种类数的预测。
• 降低直接隐形宽度测量的总不确定性，此类测量可能对不同新物理场景的敏感度与间接方法不同。
• 利用Z→νν与Z→ℓℓ衰变之间的运动学相似性，通过同时拟合Z+jets数据样本提取隐形宽度。

提出的方法

• 使用粒子流算法重建并识别粒子，包括电子、μ子、喷注和缺失横向动量。
• 应用R = 0.4的反-kT算法重建由重建粒子生成的喷注，并随后进行喷注能量标度与分辨率修正。
• 对两个数据样本的运动学分布进行联合拟合：一个样本富含Z→νν衰变（通过大pT和缺失横向动量筛选），另一个富含Z→ℓℓ衰变（e, μ对）。
• 通过公式Γ(Z→νν) = [σ(Z+jets)B(Z→νν)/σ(Z+jets)B(Z→ℓℓ)] × Γ(Z→ℓℓ)提取隐形宽度，其中Γ(Z→ℓℓ)由可见衰变样本已知。
• 利用Z+jets截面和测量得到的分支比推断隐形宽度，系统性不确定性通过专用控制区域和模拟验证进行评估。
• 通过Z+喷注和二喷注事件中的动量平衡，应用原位喷注能量标度修正，以最小化模拟与数据之间的差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，Z玻色子的隐形宽度的精确值是多少？这是首次在强子对撞机上直接测量该量。
• RQ2 该直接测量结果与间接LEP结果以及标准模型预测相比如何？
• RQ3 能否利用Z→νν与Z→ℓℓ衰变之间的运动学相似性，在强子对撞机环境中以高精度提取隐形宽度？
• RQ4 该直接测量对标准模型之外的新物理（特别是额外轻中微子种类或弱相互作用粒子）的敏感度如何？

主要发现

• 测得Z玻色子的隐形宽度为523 ± 3（统计）± 16（系统）MeV，是迄今为止最精确的直接测量结果。
• 该结果与LEP实验联合间接测量结果（499.0 ± 1.5 MeV）具有可比性。
• 该测量基于LHC的CMS探测器在√s = 13 TeV下采集的36.3 fb⁻¹积分亮度数据。
• 对富含隐形衰变与带电轻子衰变的Z+jets样本进行联合拟合，利用运动学相似性实现了对隐形宽度的稳健提取。
• 系统性不确定性主要来自喷注能量标度与分辨率修正，总系统性不确定度为16 MeV。
• 该结果对Z玻色子耦合的轻中微子种类数施加了约束，并为未来在Z玻色子隐形衰变中寻找新物理提供了基准参考。