[论文解读] Search for new heavy resonances decaying to WW, WZ, ZZ, WH, or ZH boson pairs in the all-jets final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2391 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本研究利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，搜索了在全部喷胶最终态中衰变为WW、WZ、ZZ、WH或ZH玻色子对的新重共振态。通过机器学习方法识别大半径喷胶中的强子化矢量玻色子，未观测到显著过量；迄今为止最严格的限制表明，在95%置信水平下，自旋-1的Z′和W′共振态的排除质量下限分别为4.8 TeV，自旋-2的引力子和自旋-0的轴子的排除质量下限分别为1.4 TeV和2.7 TeV。

ABSTRACT

A search for new heavy resonances decaying to WW, WZ, ZZ, WH, or ZH boson pairs in the all-jets final state is presented. The analysis is based on proton-proton collision data recorded by the CMS detector in 2016-2018 at a centre-of-mass energy of 13 TeV at the CERN LHC, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The search is sensitive to resonances with masses above 1.3 TeV, decaying to bosons that are highly Lorentz-boosted such that each of the bosons forms a single large-radius jet. Machine learning techniques are employed to identify such jets. No significant excess over the estimated standard model background is observed. A maximum local significance of 3.6 standard deviations, corresponding to a global significance of 2.3 standard deviations, is observed at masses of 2.1 and 2.9 TeV. In a heavy vector triplet model, spin-1 Z' and W' resonances with masses below 4.8 TeV are excluded at the 95% confidence level (CL). These limits are the most stringent to date. In a bulk graviton model, spin-2 gravitons and spin-0 radions with masses below 1.4 and 2.7 TeV, respectively, are excluded at 95% CL. Production of heavy resonances through vector boson fusion is constrained with upper cross section limits at 95% CL as low as 0.1 fb.

研究动机与目标

• 在13 TeV质子-质子碰撞的全部喷胶最终态中，搜索衰变为W、Z或希格斯玻色子对的新重共振态。
• 通过利用机器学习喷胶子结构标记技术，提升通过Drell–Yan、胶子融合和矢量玻色子融合机制产生的共振态的探测灵敏度。
• 为新型物理模型（如重矢量三重态、体引力子和轴子模型）设定迄今为止最严格的限制。
• 将新共振态的产生截面限制在0.1 fb以下，尤其针对矢量玻色子融合通道，在95%置信水平下。

提出的方法

• 利用2016至2018年间CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 采用基于机器学习的喷胶子结构标记技术，识别源自高度Boost化的W、Z或希格斯玻色子的大半径（R = 0.8）喷胶。
• 对两个大半径喷胶系统的不变质量和单个喷胶质量进行三维最大似然拟合，以区分信号与背景。
• 根据是否存在额外的小半径（R = 0.4）喷胶对事件进行分类，以增强对矢量玻色子融合机制产生的共振态的探测灵敏度。
• 采用先进的喷胶能量和堆叠抑制技术，包括粒子流重建和逐粒子堆叠识别。
• 使用经过校准的喷胶能量标度和与LHC数据匹配的部分子分布函数的模拟信号与背景样本。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全部喷胶道中，对衰变为VV或VH末态的新自旋-1 Z′和W′共振态，迄今最严格的限制是什么？
• RQ2 观测到的限制如何约束在弯曲额外维中的体引力子和轴子模型？
• RQ3 基于机器学习的喷胶子结构标记技术在高能共振态中对增强对Boost化矢量玻色子的探测灵敏度方面，其提升程度如何？
• RQ4 在95%置信水平下，新共振态通过矢量玻色子融合机制产生的截面上限是多少？
• RQ5 与以往搜索相比，本研究在质量覆盖范围和背景抑制方面表现如何？

主要发现

• 未观测到超过标准模型背景的显著过量，最大局部显著性为3.6σ，出现在2.1和2.9 TeV处。
• 在2.1和2.9 TeV处观测到2.3σ的全局显著性，表明在此质量区域未发现新物理的证据。
• 在重矢量三重态模型中，自旋-1的Z′和W′共振态在质量低于4.8 TeV时于95%置信水平下被排除。
• 在体引力子模型中，自旋-2的引力子和自旋-0的轴子分别在质量低于1.4 TeV和2.7 TeV时于95%置信水平下被排除。
• 对通过矢量玻色子融合机制产生的新共振态，其产生截面限制低至0.1 fb（95%置信水平）。
• 本分析在全部喷胶道中对自旋-1共振态衰变为VV和VH末态设定了迄今为止最严格的限制。