Measurement of the $W$-boson angular coefficients and transverse momentum in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=$ 13 TeV with the ATLAS detector

En utilisant 338 pb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à faible empilement à $\sqrt{s}=13$ TeV collectées par le détecteur ATLAS en 2017 et 2018, cet article présente la première mesure de l'ensemble complet des coefficients angulaires du boson $W$ et des sections efficaces différentielles en fonction de l'impulsion transverse dans l'espace de phase complet du lepton, montrant un accord avec les prédictions théoriques intégrant les corrections QCD jusqu'à l'ordre $\alpha_S^2$.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) comme une immense piste de course à grande vitesse où de minuscules particules appelées protons sont projetées l'une contre l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'elles entrent en collision, elles créent parfois une particule éphémère appelée boson W. Considérez le boson W comme un « messager » qui se désintègre instantanément (se décompose) en deux autres particules : un lepton chargé (comme un électron ou un muon) et une particule fantomatique et invisible appelée neutrino.

Ce document est un rapport de l'expérience ATLAS, l'un des détecteurs géants du LHC, décrivant comment ils ont réussi à prendre une « photo » très précise du comportement de ces bosons W.

Voici la décomposition de ce qu'ils ont fait et découvert, en utilisant des analogies simples :

1. Le Défi : Le Fantôme Invisible

Le principal problème dans l'étude des bosons W est qu'ils produisent un neutrino. Les neutrinos sont comme des fantômes ; ils traversent le détecteur sans laisser la moindre trace. Vous ne pouvez pas les voir, vous ne pouvez donc pas savoir exactement où ils sont allés ni à quelle vitesse ils se déplaçaient.

• La Solution du Document : Les scientifiques ont utilisé un tour de force de « déduction ». Ils connaissaient l'énergie et la masse totales du système avant la collision. En mesurant les particules visibles (l'électron ou le muon) et l'énergie « manquante » (le recul des débris), ils ont pu deviner mathématiquement la trajectoire du neutrino.
• L'Analogie : Imaginez que vous êtes dans une pièce sombre et que vous entendez un verre se briser. Vous ne voyez pas le verre, mais vous entendez le bruit et ressentez la vibration. En connaissant les lois de la physique, vous pouvez deviner exactement où se trouvait le verre et avec quelle force il a été lancé, même si vous ne l'avez jamais vu. L'équipe ATLAS a fait cela pour des milliards de collisions.

2. L'Avantage du « Faible Empilement »

Habituellement, lorsque le LHC fonctionne, il projette des protons l'un contre l'autre si fréquemment que des centaines de collisions se produisent exactement au même moment. C'est ce qu'on appelle l'« empilement » (pile-up). C'est comme essayer d'écouter une seule conversation dans un stade bondé et bruyant. Le bruit rend difficile l'écoute des détails.

• La Solution du Document : Pour cette étude spécifique, ils ont utilisé des données provenant de cycles de fonctionnement « faible luminosité » spéciaux où les collisions étaient beaucoup plus espacées.
• L'Analogie : Ils ont réduit le stade à un murmure. Au lieu d'une foule rugissante, ils avaient une bibliothèque silencieuse. Cela leur a permis d'entendre chaque détail de la « conversation » entre les particules avec une clarté incroyable. Cet environnement à faible bruit était crucial pour mesurer avec précision l'impulsion du neutrino invisible.

3. Mesurer la « Rotation » (Coefficients Angulaires)

Lorsqu'un boson W est créé, il n'est pas simplement immobile ; il possède une « rotation » ou une orientation, comme une toupie. La façon dont il se désintègre dépend de la direction dans laquelle il tournait. Les scientifiques voulaient mesurer neuf nombres différents (appelés coefficients angulaires) qui décrivent cette rotation et la façon dont les produits de désintégration s'envolent.

• L'Analogie : Imaginez lancer une frisbee en rotation. Si elle tourne d'une certaine manière, le vent peut la saisir différemment que si elle tourne d'une autre manière. En observant exactement où la frisbee atterrit et comment elle bascule, vous pouvez déterminer exactement comment elle tournait lorsque vous l'avez lancée.
• La Réalisation : C'est la première fois que quelqu'un mesure l'ensemble complet de ces neuf nombres pour le boson W. Auparavant, ils n'avaient mesuré que deux d'entre eux, ou devaient deviner le reste en se basant sur des mesures d'une autre particule (le boson Z). Ce document complète l'image entière.

4. Les Résultats : Une Correspondance Parfaite

L'équipe a mesuré ces nombres de rotation sur différentes plages de vitesse (impulsion transverse). Ils ont ensuite comparé leurs données réelles aux prédictions faites par la Chromodynamique Quantique (QCD), qui est la théorie mathématique complexe décrivant comment fonctionne la force forte à l'intérieur des atomes.

• La Découverte : Les mesures correspondaient presque parfaitement aux prédictions théoriques.
• L'Analogie : C'est comme construire un modèle météorologique ultra-précis qui prédit la pluie, le vent et la température. Lorsque la tempête réelle arrive, la météo réelle correspond exactement à la prédiction du modèle. Cela confirme que notre compréhension actuelle de la façon dont ces particules interagissent est correcte.

5. Pourquoi Cela Compte (Selon le Document)

Le document indique que ces mesures sont importantes pour deux raisons principales :

1. Tester la Théorie : Cela prouve que nos modèles mathématiques actuels de la « force forte » (QCD) fonctionnent correctement jusqu'à des niveaux de précision très élevés.
2. Aider d'Autres Mesures : Les scientifiques tentent actuellement de mesurer la masse exacte du boson W avec une extrême précision. Pour ce faire, ils doivent comprendre exactement comment il tourne et se déplace. Ce document fournit le « code de la route » pour cette rotation, aidant à réduire les erreurs dans ces futures mesures de masse.

Résumé

En bref, la collaboration ATLAS a utilisé une période calme et à faible bruit au LHC pour obtenir un aperçu clair d'un boson W se désintégrant. En utilisant les mathématiques pour suivre le « fantôme » invisible du neutrino, ils ont cartographié la rotation de la particule dans tous ses détails pour la première fois. Le résultat ? L'univers s'est comporté exactement comme le prévoyaient les équations complexes, offrant aux scientifiques une vérification de haute confiance de leur compréhension des blocs de construction fondamentaux de la matière.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure des coefficients angulaires et de l'impulsion transverse du boson W dans les collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problème et motivation
Les distributions angulaires des paires de leptons produites via le processus Drell–Yan servent de sondes sensibles des dynamiques sous-jacentes de la chromodynamique quantique (QCD) dans la production de bosons vectoriels. Ces distributions sont régies par les corrélations de spin entre les partons de l'état initial et les leptons de l'état final, médiées par un état intermédiaire de spin 1. Alors que l'ensemble complet des huit coefficients angulaires pour le boson $Z$ a déjà été mesuré par la collaboration ATLAS et d'autres, les mesures directes pour le boson $W$ ont été limitées. Avant ce travail, seuls deux coefficients angulaires ($A_2$ et $A_3$) avaient été mesurés en fonction de l'impulsion transverse du boson $W$ ($p_T^W$) par la collaboration CDF. D'autres mesures de polarisation du boson $W$ existent mais sont liées à des coefficients spécifiques ($A_0$ et $A_4$) et reposent souvent sur des restrictions d'espace de phase fiducielles.

La validation de la modélisation QCD pour la production de bosons $W$, en particulier pour des mesures de précision telles que la masse du boson $W$, repose actuellement sur des extrapolations à partir de données de bosons $Z$, introduisant des incertitudes plus grandes. Une approche indépendante du modèle, exploitant la nature de spin 1 du boson de jauge et la nature de spin 1/2 des leptons de désintégration, est requise pour isoler les dynamiques de production sans modélisation détaillée de la polarisation et de la désintégration. Cet article répond au besoin d'une mesure simultanée de l'ensemble complet des coefficients angulaires du boson $W$ et de la section efficace différentielle dans l'espace de phase complet des leptons de désintégration.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton enregistrées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s} = 13$ TeV au cours des années 2017 et 2018. Une caractéristique clé de cet ensemble de données est la faible luminosité instantanée, résultant en un empilement moyen d'environ deux interactions par croisement de paquets. Cet environnement à faible empilement améliore considérablement la résolution de la réaction hadronique, ce qui est crucial pour reconstruire la cinématique du neutrino. L'ensemble de données correspond à une luminosité intégrée de $338 \text{ pb}^{-1}$.

La méthodologie repose sur le formalisme utilisé pour les extractions précédentes des coefficients angulaires du boson $Z$. La section efficace différentielle à cinq dimensions pour la désintégration $W \to \ell\nu$ est décomposée en une somme de neuf polynômes harmoniques dépendant des angles polaire ($\theta$) et azimutal ($\phi$) du lepton dans le référentiel de Collins-Soper (CS), multipliés par des coefficients angulaires sans dimension $A_i$ ($i=0$ à $7$).

Un défi majeur dans l'analyse des bosons $W$ est l'impossibilité de reconstruire entièrement l'impulsion longitudinale du neutrino ($p_z^\nu$). L'analyse infère $p_z^\nu$ en imposant la contrainte de masse du boson $W$ ($m_W$), ce qui résulte en une équation quadratique avec deux solutions réelles possibles. Pour résoudre l'ambiguïté de signe à deux voies résultante dans $\cos\theta_{CS}$, une solution est choisie aléatoirement avec une probabilité égale. Pour les événements où l'équation quadratique ne donne aucune solution réelle (environ 15 % à faible $p_T^W$ augmentant jusqu'à 60 % à haut $p_T^W$), la cinématique du neutrino est ajustée via une contrainte de déséquilibre d'impulsion pour assurer une solution unique.

L'extraction des coefficients angulaires et de la section efficace différentielle ($d\sigma/dp_T^W$) est réalisée à l'aide d'un ajustement de modèles (template fit) sur les distributions angulaires reconstruites bidimensionnelles dans le plan $(\cos\theta_{CS}, \phi_{CS})$. L'ajustement est effectué dans des intervalles de l'impulsion transverse reconstruite $p_T^{\ell\nu}$, avec des limites d'intervalles définies de 0 à 600 GeV. L'analyse est réalisée séparément pour les canaux $W^-$ et $W^+$ et pour les modes de désintégration en électron et en muon, qui sont ensuite combinés. Les bruits de fond, en particulier ceux provenant de la production multijet QCD, sont estimés à l'aide d'ajustements de modèles basés sur les données dans des régions d'anti-isolation, tandis que les autres bruits de fond (top, diboson, $Z$) sont modélisés à l'aide de simulations Monte Carlo (MC) (Powheg+Pythia8, Sherpa).

Contributions et résultats clés
Cet article présente la première mesure simultanée de l'ensemble complet des coefficients angulaires du boson $W$ ($A_0$ à $A_7$) et de la section efficace différentielle en fonction de $p_T^W$ dans l'espace de phase complet des leptons de désintégration.

• Coefficients angulaires : Les coefficients $A_0$, $A_2$, $A_3$ et $A_4$ sont mesurés comme étant significativement différents de zéro. La précision atteinte pour $A_3$ dépasse celle de toute mesure précédente. Les coefficients $A_1$, $A_5$, $A_6$ et $A_7$ sont également rapportés, bien que leur extraction soit limitée par la sensibilité statistique. Le coefficient $A_7$, attendu non nul en raison de la nature violant la parité de l'interaction faible, montre une légère déviation par rapport à zéro dans la gamme intermédiaire de $p_T$.
• Relation de Lam-Tung : La relation $A_0 - A_2 = 0$, conséquence de la nature de spin 1 du gluon à l'ordre dominant, est étudiée. Les données manquent de précision pour sonder les écarts potentiels par rapport à zéro attendus des diagrammes d'ordre supérieur.
• Section efficace différentielle : La section efficace différentielle $d\sigma/dp_T^W$ est mesurée avec une précision d'environ 3 % à faible $p_T^W$.
• Comparaison avec la théorie : Tous les résultats sont comparés aux prédictions théoriques incorporant des corrections QCD d'ordre fini jusqu'à l'ordre $\alpha_S^2$ (NNLO) et une resommation à une précision NNLL, calculées à l'aide du programme DYTurbo, ainsi qu'aux générateurs MC (Powheg+Pythia8 et Sherpa 2.2.1). Les mesures montrent un bon accord avec les prédictions DYTurbo sur l'ensemble du spectre. Les prédictions MC décrivent raisonnablement bien la région à faible $p_T^W$, tandis que Sherpa 2.2.1 fournit une bonne description à des impulsions transverses plus élevées, alors que Powheg+Pythia8 montre un accord plus faible pour $p_T^W > 40$ GeV.

Signification
L'article affirme que cette mesure fournit la première insight expérimentale directe sur le spectre de l'impulsion transverse du boson $W$ et ses coefficients angulaires dans l'espace de phase complet, contournant le besoin d'extrapolations à partir de données de bosons $Z$. L'ensemble de données à faible empilement a permis des mesures de haute précision d'observables liés au neutrino, qui sont généralement difficiles en raison des ambiguïtés de reconstruction. Les résultats offrent des comparaisons rigoureuses avec les prédictions QCD de pointe et contribuent à la validation de la modélisation utilisée dans les mesures de précision, telles que la détermination de la masse du boson $W$. L'analyse démontre que l'ensemble complet des coefficients angulaires peut être extrait simultanément, fournissant un test complet des corrélations de spin et des dynamiques QCD dans la production de bosons $W$.