Observation of pair production of longitudinally polarized $Z$ bosons in four-lepton final state with the ATLAS detector

Resumen Técnico: Observación de la producción de pares de bosones Z longitudinalmente polarizados

Problema y motivación
Tras el descubrimiento del bosón de Higgs, el escrutinio de la Ruptura de la Simetría Electrodébil (EWSB, por sus siglas en inglés) se ha convertido en un foco principal en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC). El mecanismo de la EWSB genera las masas de los bosones $W$ y $Z$ y da lugar a sus estados de polarización longitudinal. Si bien se han realizado mediciones precisas de la polarización para bosones individuales y en la producción de $WZ$, los estados de polarización conjunta de pares de bosones débiles siguen siendo una prueba crítica del mecanismo de la EWSB. Específicamente, la producción de dos bosones $Z$ simultáneamente polarizados longitudinalmente ($Z_L Z_L$) está predicha como fuertemente suprimida en comparación con los modos transversos a masas invariantes elevadas debido al Teorema de Equivalencia de los Bosones de Goldstone. Medir la dependencia de la componente longitudinal-longitudinal (LL) como función de la masa invariante dibosónica proporciona una sonda sensible para desviaciones del Modelo Estándar (SM). Los resultados previos de ATLAS proporcionaron evidencia para la producción de $Z_L Z_L$ con una significación de 4.3 desviaciones estándar ($\sigma$); este trabajo tiene como objetivo lograr la primera observación de este proceso.

Metodología
El análisis utiliza datos de colisiones protón-protón registrados por el detector ATLAS a una energía de centro de masa de $\sqrt{s} = 13.6$ TeV, lo que corresponde a una luminosidad integrada de 164 fb$^{-1}$. El estudio se centra en el estado final de cuatro leptones ($ZZ \to \ell^+\ell^-\ell'^+\ell'^-$), donde $\ell, \ell'$ son electrones o muones.

• Selección de eventos: Los eventos se reconstruyen utilizando dos pares de leptones de mismo sabor y carga opuesta (SFOC). Los eventos candidatos requieren cuatro leptones base, con los dos leptones de mayor $p_T$ satisfaciendo $p_T > 27$ y 20 GeV. Se forman dos candidatos a bosones $Z$ a partir de pares SFOC con masas invariantes dentro de $|m_{\ell\ell} - m_Z| < 10$ GeV. La masa invariante de los cuatro leptones ($m_{4\ell}$) debe ser superior a 180 GeV.
• Regiones de señal (SR): La SR se divide en dos categorías basadas en $m_{4\ell}$ para explotar las diferencias cinemáticas entre los componentes de polarización: una región de baja masa ($180 < m_{4\ell} < 240$ GeV) y una región de alta masa ($m_{4\ell} > 240$ GeV).
• Estimación de fondo: Los fondos irreducibles (por ejemplo, $t\bar{t}Z$, tri-bosón) se estiman mediante simulaciones de Monte Carlo (MC). Los fondos reducibles provenientes de leptones no instantáneos (non-prompt) se estiman mediante un método de factor de falsificación (fake-factor) basado en datos. El proceso inclusivo $gg \to ZZ$ se trata como un fondo para mantener la prudencia, dadas las discrepancias observadas en los métodos de reponderación para la fusión de gluones polarizada.
• Extracción de la polarización: Se entrena un Árbol de Decisión Potenciado (BDT) para separar la producción de $Z_L Z_L$ de los estados $Z_T Z_X$ (transverso-transverso o transverso-longitudinal). Las variables de entrada incluyen observables angulares sensibles a la polarización, tales como los ángulos azimutales entre leptones y los ángulos de decaimiento en los marcos de reposo de los $Z$.
• Análisis estadístico: Se realiza un ajuste de verosimilitud de perfil bincado (binned profile likelihood fit) sobre la distribución del puntaje del BDT en ambas SR de forma simultánea. Los parámetros de intensidad de señal $\mu_{LL}$ (para $Z_L Z_L$) y $\mu_{TX}$ (para $Z_T Z_X$) se extraen como parámetros libres. El término de interferencia entre los estados de polarización se modela como proporcional a $\sqrt{\mu_{LL}\mu_{TX}}$. Las incertidumbres sistemáticas, incluyendo el modelado teórico (PDFs, escalas, eyección de partículas/parton showering) y efectos experimentales, se incorporan como parámetros de molestia (nuisance parameters).
• Combinación: Los resultados de Run 3 se combinan estadísticamente con la medición previa de Run 2 a $\sqrt{s} = 13$ TeV (140 fb$^{-1}$), asegurando un tratamiento consistente de los fondos, los plantillas de interferencia y las incertidumbres teóricas.

Contribuciones clave y resultados

1. Primera observación de $Z_L Z_L$: Al combinar los datos de Run 2 y Run 3, la colaboración reporta la primera observación de la producción de dos bosones $Z$ simultáneamente polarizados longitudinalmente. La significación observada es de 6.5$\sigma$, con una significación esperada de 5.6$\sigma$.
2. Medición de la intensidad de la señal: En el ajuste combinado, la intensidad de la señal para la producción de $Z_L Z_L$ se mide como $\mu_{LL} = 1.22 \pm 0.21$. Esto es consistente con la predicción del SM de $\mu_{LL} = 1.00$.
3. Sección eficaz fiduciaria y fracción:
   • La sección eficaz fiduciaria para la producción de $Z_L Z_L$ se mide como $\sigma_{obs} = 2.30 \pm 0.49$ fb, consistente con la predicción del SM de $1.71 \pm 0.11$ fb.
   • La fracción inclusiva de eventos $Z_L Z_L$ se mide como $f_{LL} = 0.080 \pm 0.017$, consistente con la predicción del SM de $0.061 \pm 0.002$.
   • Las mediciones diferenciales en las SR de baja y alta masa arrojan $f_{LL}^{low} = 0.108 \pm 0.028$ y $f_{LL}^{high} = 0.011 \pm 0.017$, respectivamente, ambas consistentes con las expectativas del SM.
4. Refinamientos metodológicos: El análisis introduce un tratamiento más conservador del proceso $gg \to ZZ$ como un fondo y utiliza plantillas teóricas actualizadas (Sherpa 3) para el modelado de la interferencia, abordando las discrepancias encontradas en los enfoques de reponderación previos.

Significación
El artículo afirma que este resultado constituye la primera observación de la producción de pares de bosones $Z$ longitudinalmente polarizados. Esta medición valida la predicción del SM respecto a la generación de estados de polarización longitudinal mediante la EWSB en un sistema dibosónico. Los resultados son consistentes con las predicciones del Modelo Estándar en todo el espacio de fase fiduciario y en las regiones diferenciales de la masa invariante de los cuatro leptones. La observación confirma la comprensión teórica de que la componente longitudinal, aunque está suprimida a energías elevadas, está presente y es medible, proporcionando una prueba crucial del mecanismo que genera las masas de los bosones débiles. La combinación estadística de los datos de Run 2 y Run 3 fue esencial para alcanzar el umbral de observación de 5$\sigma$.