Search for a new heavy scalar resonance decaying to a pair of Z bosons in the four-lepton final state in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

ملخص تقني: البحث عن رنين سكالر (Scalar) ثقيل جديد يضم إلى زوج من بوزونات Z في الحالة النهائية لأربعة لبتونات

المشكلة والدوافع
بينما أثبت اكتشاف بوزون هيجز ($H$) في عام 2012 بكتلة قريبة من 125 جيجا إلكترون فولت (GeV) صحة النموذج القياسي (SM)، إلا أن النموذج القياسي لا يزال غير مكتمل، حيث يفتقر إلى تفسيرات للجاذبية، والمادة المظلمة، وعدم تماثل المادة والمادة المضادة. تتنبأ العديد من نظريات ما وراء النموذج القياسي (BSM) بوجود رنينات سكالر إضافية، مثل بوزونات هيجز الإضافية في نماذج "هيجز ذات المضاعف المزدوج" (Two-Higgs-Doublet Models) أو الراديونات (radions) في نماذج الأبعاد الإضافية المتعرجة. تقدم هذه الورقة بحثاً عن رنين سكالر ثقيل جديد ($X$) يتحلل إلى زوج من بوزونات $Z$ ($X \to ZZ$)، حيث يتحلل كل بوزون $Z$ بدوره إلى زوج من الإلكترونات أو الميونات ($ZZ \to 4\ell$). يغطي هذا البحث نطاق كتلة واسع ($130 \text{ GeV} \le m_X \le 3 \text{ TeV}$) ويستقصي سيناريوهات العرض الضيق (narrow-width) والعرض الواسع (broad-width)، بما في ذلك تأثيرات التداخل بين الإشارة، وبوزون هيجز في النموذج القياسي، والخلفيات المستمرة (continuum backgrounds).

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادمات بروتون-بروتون تم جمعها بواسطة تجربة CMS عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$، وهو ما يقابل لومينوسية متكاملة قدرها $138 \text{ fb}^{-1}$ من فترات جمع البيانات بين 2016 و2018.

• اختيار الأحداث: يتم اختيار الأحداث التي تتطلب أربعة لبتونات معزولة (إلكترونات أو ميونات) تنشأ من الرأس الأولي (primary vertex). يتم إعادة بناء مرشحي اللبتون باستخدام خوارزمية "تدفق الجسيمات" (Particle-Flow). يتم تشكيل مرشحي بوزون $Z$ من أزواج لبتونات ذات شحنة متضادة ونوع متماثل بكتل ثابتة (invariant masses) تتراوح بين 12 و120 جيجا إلكترون فولت. يتم إنشاء مرشح $ZZ$ من اثنين من مرشحي $Z$، حيث يُعرف المرشح الأقرب إلى كتلة $Z$ الاسمية باسم $Z_1$.
• التصنيف: لتعزيز الحساسية لإنتاج دمج الاندماج لفيبرسون (Vector Boson Fusion - VBF)، يتم تصنيف الأحداث إلى مناطق "موسومة بـ VBF" ومناطق "غير موسومة" (تنتج أساساً عن اندماج الغلوون-غلوون ggF). تتطلب فئة VBF وجود نفاثتين (jets) على الأقل بخصائص حركية محددة ومميز ($D^{VBF}_{2jet}$) يعتمد على احتمالات المصفوفة (matrix element likelihoods) للتمييز بين طوبولوجيا VBF وطوبولوجيا ggF.
• نمذجة الإشارة والخلفية:
  • الإشارة: يتم توليد عينات الإشارة عند مستوى "التصحيح التالي للرائد" (NLO) لعمليات ggF وVBF. يستخدم نهج بارامتري لنمذجة شكل الإشارة (lineshape)، والكفاءة، والقدرة على التمييز (resolution) كدوال لكتلة الرنين ($m_X$) وعرضه ($\Gamma_X$). بالنسبة لسيناريوهات العرض الواسع، يتم نمذجة التداخل بين الإشارة، وبوزون هيجز (125 GeV)، والخلفيات غير الرنينية بشكل صريح.
    q * الخلفيات: يتم تقدير الخلفيات غير القابلة للاختزال ($qq \to ZZ$, $gg \to ZZ$, VBF $ZZ$, triboson, and top-associated production) باستخدام محاكاة مونت كارلو (MC) مصححة بعوامل K (K-factors) من الرتب العليا. أما الخلفيات القابلة للاختزال ($Z + \text{jets}$)، حيث يتم تحديد النفاثات (jets) خطأً كليبتونات، فيتم تقديرها من البيانات باستخدام طريقة "معدل الخطأ في التحديد" (misidentification rate) في مناطق التحكم.
• التحليل الإحصائي: يتم إجراء ملاءمة احتمالية (likelihood fit) ثنائية الأبعاد باستخدام الكتلة المعاد بناؤها لأربعة لبتونات ($m^{\text{reco}}_{4\ell}$) ومميز حركي ($D^{\text{kin}}_{\text{bkg}}$) للتمييز بين الإشارة والخلفية. تُعامل الشكوك المنهجية (التجريبية والنظرية) كمعلمات عوائق (nuisance parameters). يتم وضع حدود عليا على حاصل ضرب مقطع الإنتاج في كسر التحلل ($\sigma \times \mathcal{B}$) عند مستوى ثقة 95% (CL) باستخدام معيار $CL_s$.

المساهمات الرئيسية

• تداخل العرض الواسع: يتضمن التحليل معالجة متطورة لتأثيرات التداخل للعروض الواسعة، مع مراعاة التداخل بين الرنين الجديد، وبوزون هيجز في النموذج القياسي، والخلفيات المستمرة في كل من أنماط إنتاج ggF وVBF.
• النمذجة البارامترية للإشارة: يُستخدم نموذج بارامتري مرن لوصف أشكال الإشارة عبر نطاق مستمر من الكتل والعروض، مما يتجنب الحاجة إلى محاكاة كل فرضية محددة.
• مسح شامل للكتلة والعرض: يوسع هذا البحث النتائج السابقة بتغطية نطاق كتلة يصل إلى 3 TeV واختبار مختلف افتراضات العرض، بما في ذلك العروض التي تصل إلى 30% من كتلة الرنين ($\Gamma_X/m_X = 0.3$).

النتائج

• الملاحظة: لم يتم رصد أي فائض معتبر في عدد الأحداث فوق توقعات خلفية النموذج القياسي في الفضاء الطوري المفحوص. حدث أكبر تقلب محلي عند $m_X \approx 137.8 \text{ GeV}$، بسعة معنوية محلية بلغت 3.0 انحرافات معيارية ($\sigma$). ومع ذلك، بعد حساب تأثير "البحث في كل مكان" (look-elsewhere effect)، انخفضت المعنوية العالمية إلى 1.8 $\sigma$.
• حدود الاستبعاد: تم وضع حدود عليا على $\sigma(pp \to X \to ZZ)$. في منطقة الكتلة المنخفضة، تتراوح الحدود بين 0.05 و0.1 بيكوبارن (pb)، بينما في منطقة الكتلة العالية، تصل إلى 0.00able 0.005 بيكوبارن.
  • بالنسبة لتقريب العرض الضيق (NWA)، تكون الحدود أقوى عموماً لآلية إنتاج VBF مقارنة بـ ggF بسبب ارتفاع نسبة الإشارة إلى الخلفية في الفئة الموسومة بـ VBF.
  • بالنسبة لسيناريوهات العرض الواسع، تختلف الحدود مع العرض المفترض. في بعض الحالات (على سبيل المثال، $\Gamma_X = 100 \text{ GeV}$)، كانت الحدود المرصودة أكثر صرامة من الحدود المتوقعة المتوسطة لأن البيانات المرصودة أظهرت نقصاً طفيفاً بالنسبة لنموذج الخلفية، خاصة في المناطق التي يكون فيها شكل الإشارة عريضاً.

الأهمية
تخلص الورقة إلى أنه ضمن حساسية مجموعة البيانات الحالية واستراتيجية التحليل، لا يوجد دليل على وجود رنين سكالر ثقيل جديد يتحلل إلى $ZZ$ في الحالة النهائية لأربعة لبتونات. توفر النتائج حدود استبعاد محدثة تقيد نماذج ما وراء النموذج القياسي (BSM) التي تتنبأ بجسيمات سكالر إضافية، وخاصة تلك ذات العروض الواسعة أو تأثيرات التداخل الكبيرة. يوضح التحليل قدرة تجربة CMS على استقصاء سيناريوهات الإشارة المعقدة التي تتضمن التداخل والرنينات العريضة، مما يمهد الطريق لعمليات بحث مستقبلية مع زيادة اللومينوسية.