Combination of searches for heavy vector boson resonances in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Resumen Técnico: Combinación de búsquedas de resonancias de bosones vectoriales pesados en colisiones protón-protón a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema y Motivación
La búsqueda de resonancias pesadas que decaen en estados finales de dos cuerpos sigue siendo un componente central del programa de física en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) del CERN, con el objetivo de descubrir física más allá del Modelo Estándar (BSM). Si bien el descubrimiento de los bosones $W$, $Z$ y Higgs confirmó el Modelo Estándar (SM) y el mecanismo de ruptura de la simetría electrodébil, la existencia de compañeros de espín-1 pesados ($W'$ y $Z'$, colectivamente $V'$) está predicha por varios escenarios de BSM, incluyendo modelos de Higgs compuesto, modelos de Little Higgs y extensiones secuenciales del SM. Estas resonancias podrían acoplarse predominantemente a fermiones o bosones del SM, o actuar como portales a sectores de materia oscura.

Las búsquedas individuales para estas resonancias ocasionalmente han reportado excesos localizados de eventos (por ejemplo, en estados finales totalmente hadrónicos o canales de dibosones específicos) con significancias locales que alcanzan hasta las 3.6 desviaciones estándar (SD). Sin embargo, estas desviaciones no han sido lo suficientemente significativas estadísticamente como para reclamar evidencia de física BSM. Un análisis estadístico combinado es esencial para maximizar la sensibilidad, explotar plenamente los resultados de las búsquedas individuales y proporcionar una evaluación robusta de las posibles desviaciones de las expectativas del SM, particularmente dada la naturaleza complementaria de los diferentes canales de decaimiento y mecanismos de producción.

Metodología
Este artículo presenta un análisis estadístico combinado de las búsquedas de CMS para resonancias vectoriales pesadas de espín-1 que decaen en pares de bosones $W$, $Z$ o Higgs, así como en pares de quarks ($qq, bb, tt, tb$) o pares de leptones ($\ell^+\ell^-, \ell\nu$, donde $\ell = e, \mu, \tau$). El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón recolectados por el experimento CMS de 2016 a 2018 a una energía de centro de masa de 13 TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 138 fb$^{-1}$.

• Modelo de Señal: Los resultados se interpretan dentro del marco simplificado de Tripletes Vectoriales Pesados (HVT), una parametrización fenomenológica que abarca una amplia clase de modelos que predicen bosones vectoriales pesados. El marco define tres escenarios de referencia:
  • Modelo A: Una extensión débilmente acoplada basada en una simetría de gauge extendida, donde la producción de $V'$ está dominada por la aniquilación quark-antiquark (proceso Drell-Yan).
  • Modelo B: Un escenario fuertemente acoplado (por ejemplo, Higgs compuesto), también dominado por la producción Drell-Yan pero con diferentes fuerzas de acoplamiento que favorecen los decaimientos bosónicos.
  • Modelo C: Un escenario donde la producción ocurre exclusivamente vía fusión de bosones vectoriales (VBF), con el bosón $V'$ desacoplado de los fermiones del SM.
• Canales de Entrada: La combinación incluye los canales más sensibles para los decaimientos de resonancias de espín-1, categorizados por estado final:
  • Leptónico: $Z' \to \ell^+\ell^-$, $W' \to \ell\nu$, $Z' \to \tau^+\tau^-$, $W' \to \tau\nu$.
  • Hadrónico/Fermiónico: $V' \to qq'$, $W' \to tb$ (0$\ell$ y 1$\ell$), $Z' \to t\bar{t}$ (1$\ell$).
  • Bosónico: $W' \to WZ$, $Z' \to ZH$, $V' \to WV/WH$, y $V' \to VV/VH$ (totalmente hadrónico).
  • Reconstrucción: Para resonancias de alta masa, los productos de decaimiento suelen estar altamente desplazados (boosted). Se reconstruyen jets de radio pequeño ($R=0.4$) y radio grande ($R=0.8$) utilizando el algoritmo anti-$k_T$. Se emplean técnicas de subestructura de jets (por ejemplo, soft-drop) y clasificadores basados en aprendizaje automático para identificar bosones $W/Z/H$ y quarks top desplazados.
• Combinación Estadística: La combinación se realiza mediante un ajuste de máxima verosimilitud simultáneo a través de todos los análisis individuales utilizando la herramienta CMS COMBINE. Para asegurar la independencia estadística, los espacios de fase superpuestos se manejan reteniendo solo el canal con la mayor sensibilidad esperada para un modelo de señal y una hipótesis de masa dada. Las incertidumbres sistemáticas (teóricas, experimentales y de modelado de fondo) se tratan como parámetros de molestia (nuisance parameters), con correlaciones aplicadas donde sea apropiado (por ejemplo, escala de energía de jet, luminosidad).

Contribuciones Clave

• Combinación Exhaustiva: Este trabajo representa la combinación más exhaustiva de las búsquedas de CMS para bosones vectoriales pesados hasta la fecha, integrando los resultados de 16 canales de búsqueda distintos que cubren un amplio rango de estados finales y modos de producción.
• Mejora de la Sensibilidad: Al combinar canales con sensibilidades complementarias (por ejemplo, canales leptónicos que dominan en escenarios débilmente acoplados y canales bosónicos hadrónicos en escenarios fuertemente acoplados), el análisis logra restricciones más estrictas que cualquier canal individual o combinaciones previas.
• Manejo de Excesos: El análisis aborda los excesos localizados previamente reportados (por ejemplo, el exceso de 3.6 SD en 2.1 y 2.9 TeV en canales totalmente hadrónicos). La combinación demuestra que estos excesos no son consistentes a través de los diferentes canales, lo que conduce a una reducción de su significancia cuando se ven globalmente.
• Exploración del Espacio de Parámetros: Más allá de establecer límites de masa, el análisis explora el espacio de acoplamiento HVT ($g_F$ vs. $g_H$) e investiga los acoplamientos no universales a quarks de tercera generación ($g_{q3}$ vs. $g_{q12}$), proporcionando restricciones que ningún canal individual podría lograr por sí solo.

Resultados

• Observación: No se observa ninguna desviación significativa de las expectativas del Modelo Estándar en el análisis combinado. El bondad de ajuste global arroja un valor $p$ de aproximadamente 34% bajo la hipótesis de solo fondo.
• Límites de Exclusión: El análisis establece límites superiores al 95% de nivel de confianza (CL) sobre las secciones eficaces de producción y las fuerzas de acoplamiento:
  • Modelo A (Débilmente Acoplado): Se excluyen resonancias con masas por debajo de 5.5 TeV.
  • Modelo B (Fuertemente Acoplado): Se excluyen resonancias con masas por debajo de 4.8 TeV.
  • Modelo C (Producción VBF): Se excluyen resonancias con masas de hasta 2.0 TeV (específicamente, 1.2–1.4 TeV para $g_H=3$ y por debajo de 2 TeV para $g_H=6$).
• Restricciones de Acoplamiento: La combinación proporciona las restricciones más estrictas hasta la fecha al espacio de parámetros de acoplamiento HVT. En comparación con los resultados que utilizan solo el conjunto de datos de 2016, la sensibilidad mejora por un factor de 1.7 a 3.6 para el escenario fuertemente acoplado y de 4.4 a 7.7 para el débilmente acoplado.
• Excesos: Los mayores excesos locales observados en la combinación son 2.4 SD en 2.6 TeV y 2.1 SD en 3.4 TeV para el Modelo A, y 2.3 SD en 2.9 TeV y 2.4 SD en 3.0 TeV para el Modelo B. Estos son significativamente reducidos en comparación con los resultados de canales individuales y no constituyen evidencia de nueva física. La combinación tampoco confirma un exceso de ATLAS reportado previamente alrededor de 1.5 TeV.

Significancia
El artículo afirma que esta combinación proporciona las restricciones más estrictas y exhaustivas hasta la fecha sobre la producción de tripletes vectoriales pesados. Los resultados representan una mejora significativa respecto a las restricciones anteriores, impulsada por la inclusión del conjunto completo de datos de Run 2 (138 fb$^{-1}$) y avances en los análisis subyacentes, particularmente el uso de técnicas avanzadas de clasificación de subestructura de jets y estrategias de extracción de señal tridimensionales en canales totalmente hadrónicos. Si bien los resultados no confirman la existencia de bosones vectoriales pesados, efectivamente descartan grandes porciones del espacio de parámetros predicho por el marco HVT, guiando así los futuros esfuerzos teóricos y experimentales en la búsqueda de física BSM.