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

Sintesi Tecnica: Combinazione di Ricerche per Resonanze di Bosoni Vettoriali Pesanti in Collisioni Protone-Protone a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Motivazione
La ricerca di risonanze pesanti che decadono in stati finali a due corpi rimane una componente centrale del programma di fisica al Large Hadron Collider (LHC) del CERN, mirata a scoprire la fisica oltre il Modello Standard (BSM). Sebbene la scoperta dei bosoni $W$, $Z$ e Higgs abbia confermato il Modello Standard (SM) e il meccanismo di rottura della simmetria elettrodebole, l'esistenza di partner spin-1 pesanti ($W'$ e $Z'$, collettivamente $V'$) è prevista da vari scenari BSM, inclusi i modelli di Higgs composito, i modelli Little Higgs e le estensioni sequenziali del SM. Queste risonanze potrebbero accoppiarsi prevalentemente con i fermioni o i bosoni del SM, o agire come portali verso settori di materia oscura.

Ricerche individuali per queste risonanze hanno occasionalmente riportato eccessi localizzati di eventi (ad esempio, in stati finali completamente adronici o in specifici canali dibosonici) con significatività locali che raggiungono fino a 3,6 deviazioni standard (SD). Tuttavia, queste deviazioni non sono state statisticamente sufficienti per dichiarare evidenza di fisica BSM. Un'analisi statistica combinata è essenziale per massimizzare la sensibilità, sfruttare appieno gli esiti delle singole ricerche e fornire una valutazione robusta di potenziali deviazioni dalle aspettative del SM, particolarmente data la natura complementare dei diversi canali di decadimento e dei meccanismi di produzione.

Metodologia
Questo articolo presenta un'analisi statistica combinata delle ricerche CMS per risonanze vettoriali spin-1 pesanti che decadono in coppie di bosoni $W$, $Z$ o Higgs, nonché in coppie di quark ($qq, bb, tt, tb$) o coppie di leptoni ($\ell^+\ell^-, \ell\nu$, dove $\ell = e, \mu, \tau$). L'analisi utilizza dati di collisioni protone-protone raccolti dall'esperimento CMS dal 2016 al 2018 a un'energia di centro di massa di 13 TeV, corrispondenti a una luminosità integrata di 138 fb$^{-1}$.

• Modello di Segnale: I risultati sono interpretati all'interno del quadro semplificato dell'Heavy Vector Triplet (HVT), una parametrizzazione fenomenologica che comprende una vasta classe di modelli che prevedono bosoni vettoriali pesanti. Il framework definisce tre scenari benchmark:
  • Modello A: Un'estensione debolmente accoppiata basata su una simmetria di gauge estesa, dove la produzione di $V'$ è dominata dall'annichilazione quark-antiquark (processo Drell-Yan).
  • Modello B: Uno scenario fortemente accoppiato (ad esempio, Higgs composito), anch'esso dominato dalla produzione Drell-Yan ma con diverse intensità di accoppiamento che favoriscono i decadimenti bosonici.
  • Modello C: Uno scenario in cui la produzione avviene esclusivamente tramite fusione di bosoni vettoriali (VBF), con il bosone $V'$ disaccoppiato dai fermioni del SM.
• Canali di Input: La combinazione include i canali più sensibili per i decadimenti di risonanze spin-1, categorizzati per stato finale:
  • Leptonici: $Z' \to \ell^+\ell^-$, $W' \to \ell\nu$, $Z' \to \tau^+\tau^-$, $W' \to \tau\nu$.
  • Adronici/Fermionici: $V' \to qq'$, $W' \to tb$ (0$\ell$ e 1$\ell$), $Z' \to t\bar{t}$ (1$\ell$).
  • Bosonici: $W' \to WZ$, $Z' \to ZH$, $V' \to WV/WH$, e $V' \to VV/VH$ (completamente adronici).
  • Ricostruzione: Per risonanze ad alta massa, i prodotti di decadimento sono spesso altamente "boostati". Jet a raggio piccolo ($R=0.4$) e a grande raggio ($R=0.8$) sono ricostruiti utilizzando l'algoritmo anti-$k_T$. Tecniche di sottostruttura del jet (ad esempio, soft-drop) e tagger basati sul machine learning sono impiegati per identificare bosoni $W/Z/H$ e quark top boostati.
• Combinazione Statistica: La combinazione è eseguita tramite un fit simultaneoo di massima verosimiglianza su tutte le singole analisi utilizzando lo strumento CMS COMBINE. Per garantire l'indipendenza statistica, gli spazi di fase sovrapposti sono gestiti mantenendo solo il canale con la maggiore sensibilità attesa per un dato modello di segnale e ipotesi di massa. Le incertezze sistematiche (teoriche, sperimentali e di modellazione del background) sono trattate come parametri di disturbo (nuisance parameters), con correlazioni applicate dove appropriato (ad esempio, scala dell'energia del jet, luminosità).

Contributi Chiave

• Combinazione Comprensiva: Questo lavoro rappresenta la combinazione più completa di ricerche CMS per bosoni vettoriali pesanti ad oggi, integrando i risultati di 16 distinti canali di ricerca che coprono un ampio intervallo di stati finali e modalità di produzione.
• Sensibilità Migliorata: Combinando canali con sensibilità complementari (ad esempio, i canali leptonici che dominano negli scenari debolmente accoppiati e i canali adronici bosonici negli scenari fortemente accoppiati), l'analisi raggiunge vincoli più stretti rispetto a qualsiasi singolo canale o combinazioni precedenti.
• Gestione degli Eccessi: L'analisi affronta gli eccessi localizzati precedentemente riportati (ad esempio, l'eccesso di 3,6 SD a 2,1 e 2,9 TeV nei canali completamente adronici). La combinazione dimostra che questi eccessi non sono coerenti tra i diversi canali, portando a una riduzione della loro significatività quando osservati globalmente.
• Esplorazione dello Spazio dei Parametri: Oltre a stabilire limiti di massa, l'analisi esplora lo spazio di accoppiamento HVT ($g_F$ vs. $g_H$) e investiga gli accoppiamenti non universali con i quark del terzo genere ($g_{q3}$ vs. $g_{q12}$), fornendo vincoli che nessun singolo canale potrebbe raggiungere da solo.

Risultati

• Osservazione: Nessuna deviazione significativa dalle aspettative del Modello Standard è osservata nell'analisi combinata. La bontà del fit globale produce un $p$-value di circa il 34% sotto l'ipotesi del solo background.
• Limiti di Esclusione: L'analisi stabilisce limiti superiori al livello di confidenza (CL) del 95% sulle sezioni d'urto di produzione e sulle intensità di accoppiamento:
  • Modello A (Debolmente Accoppiato): Risonanze con masse inferiori a 5,5 TeV sono escluse.
  • Modello B (Fortemente Accoppiato): Risonanze con masse inferiori a 4,8 TeV sono escluse.
  • Modello C (Produzione VBF): Risonanze con masse fino a 2,0 TeV sono escluse (specificamente, 1,2–1,4 TeV per $g_H=3$ e sotto i 2 TeV per $g_H=6$).
• Vincoli di Accoppiamento: La combinazione fornisce i vincoli più stringenti ad oggi sullo spazio di accoppiamento HVT. Rispetto ai risultati utilizzando solo il dataset del 2016, la sensibilità è migliorata di un fattore da 1,7 a 3,6 per lo scenario fortemente accoppiato e da 4,4 a 7,7 per lo scenario debolmente accoppiato.
• Eccessi: I maggiori eccessi locali osservati nella combinazione sono 2,4 SD a 2,6 TeV e 2,1 SD a 3,4 TeV per il Modello A, e 2,3 SD a 2,9 TeV e 2,4 SD a 3,0 TeV per il Modello B. Questi sono significativamente ridotti rispetto ai risultati dei singoli canali e non costituiscono evidenza di nuova fisica. La combinazione non conferma nemmeno un precedente eccesso riportato da ATLAS intorno a 1,5 TeV.

Significatività
L'articolo afferma che questa combinazione fornisce i vincoli più stringenti e completi ad oggi sulla produzione di risonanze di tripletto vettoriale pesante. I risultati rappresentano un miglioramento significativo rispetto ai vincoli precedenti, guidato dall'inclusione dell'intero dataset Run 2 (138 fb$^{-1}$) e dai progressi nelle analisi sottostanti, in particolare l'uso di tecniche avanzate di tagging della sottostruttura del jet e strategie di estrazione del segnale tridimensionali nei canali completamente adronici. Sebbene i risultati non confermino l'esistenza di bosoni vettoriali pesanti, essi escludono efficacemente ampie porzioni dello spazio dei parametri previsto dal framework HVT, guidando così i futi sforzi teorici e sperimentali nella ricerca della fisica oltre il Modello Standard.