[论文解读] Search for the exclusive $W$ boson hadronic decays $W^{\pm} o\pi^{\pm}\gamma$, $W^{\pm} o K^{\pm}\gamma$ and $W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma$ with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2943 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在13 TeV质子-质子碰撞中采集的140 fb⁻¹数据，首次搜索了W玻色子的纯强子衰变过程，即W± → π±γ、W± → K±γ和W± → ρ±γ，这些过程涉及一个带电介子与一个光子的终态。该研究在95%置信水平下设定了迄今为止最严格的分支比上限：B(W± → π±γ) < 1.9×10⁻⁶，B(W± → K±γ) < 1.7×10⁻⁶，以及B(W± → ρ±γ) < 5.2×10⁻⁶。

ABSTRACT

A search for the exclusive hadronic decays $W^{\pm} o \pi^{\pm}\gamma$, $W^{\pm} o K^{\pm}\gamma$ and $W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma$ is performed using up to $140\, ext{fb}^{-1}$ of proton-proton collisions recorded with the ATLAS detector at a center-of-mass energy of $\sqrt{s}=13\, ext{TeV}$. These rare processes provide a test bench for the quantum chromodynamics factorization formalism used to calculate cross sections at colliders, as well as a probe of $W$ boson coupling to quarks and a new way to measure the $W$ boson mass through fully reconstructed decay products. The search results in the most stringent upper limit to date on the branching fractions $\mathcal{B}(W^{\pm} o \pi^{\pm}\gamma) &lt; 1.9 imes10^{-6}$, $\mathcal{B}(W^{\pm} o K^{\pm}\gamma) &lt; 1.7 imes10^{-6}$, $\mathcal{B}(W^{\pm} o ho^{\pm}\gamma) &lt; 5.2 imes10^{-6}$ at 95% confidence level.

研究动机与目标

• 搜索W玻色子的纯强子衰变过程，包括W± → π±γ、W± → K±γ和W± → ρ±γ。
• 为迄今为止这些稀有衰变的分支比提供最严格的实验约束。
• 在稀有W玻色子衰变的背景下，检验量子色动力学因子化形式。
• 探索这些衰变在未来对撞机中作为高分辨率W玻色子质量测量方法的潜力。

提出的方法

• 利用2015至2018年间ATLAS探测器收集的高达140 fb⁻¹的√s = 13 TeV质子-质子碰撞数据。
• 实施了针对单个强子末态的专用触发策略，以增强对稀有强子衰变的灵敏度。
• 采用非参数化背景建模技术，准确描述多喷胶和误重建的Z→ee背景。
• 利用光子触发和τ轻子重建算法，针对ρ± → π±π⁰衰变模式进行探测，利用τ → π±π⁰的25.5%分支比。
• 使用QCD下一阶微扰计算的蒙特卡罗模拟，信号和背景建模采用Powheg-Box与Pythia8，探测器响应通过Geant4模拟。
• 通过强子-光子系统不变质量重建方法重建W玻色子候选事例，并应用动量与拓扑选择条件。

实验结果

研究问题

• RQ1 目前对W± → π±γ、W± → K±γ和W± → ρ±γ衰变的分支比实验限制是什么？
• RQ2 纯强子W衰变能否作为高能物理中量子色动力学因子化形式的检验工具？
• RQ3 这些稀有衰变在多大程度上可被用于未来对撞机中提升W玻色子质量测量的精度？
• RQ4 多喷胶和误重建的Z→ee事件背景对这些稀有衰变探测灵敏度有何影响？
• RQ5 哪些创新实验技术使得首次搜索W± → K±γ和W± → ρ±γ衰变成为可能？

主要发现

• 本分析在95%置信水平下设定了迄今为止最严格的W± → π±γ、W± → K±γ和W± → ρ±γ分支比上限。
• B(W± → π±γ)的上限为小于1.9×10⁻⁶。
• B(W± → K±γ)的上限为小于1.7×10⁻⁶。
• B(W± → ρ±γ)的上限为小于5.2×10⁻⁶。
• 对W± → K±γ和W± → ρ±γ的搜索是任何实验首次对这些末态的探测。
• 结果对这些稀有衰变的理论预测构成约束，并为未来高精度W玻色子质量测量奠定了基础。