Measurement and effective field theory interpretation of the photon-fusion production cross section of a pair of W bosons in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技術要約：Wボソン対の光子融合生成断面積の測定および有効場理論による解釈

問題と動機
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における陽子・陽子（$pp$）衝突における光子誘起過程は、より一般的なクォークやグルーオンの相互作用を補完する、標準模型（SM）のユニークな検証場を提供する。特に、光子融合によるWボソン対生成（$\gamma\gamma \to W^+W^-$）は、三重および四重ゲージボソン結合を含む相互作用を通じて進行する。CMSおよびATLASコラボレーションによる先行解析では、より低いエネルギー（7および8 TeV）での証拠の提示、あるいは13 TeVにおける限定的な統計量での観測がなされているが、超標準模型（BSM）物理を制約するためには、Run 2の全データセットを用いた精密な測定が必要である。主要な物理的目標は、次元8の有効場理論（EFT）の枠組み内において、異常四重ゲージ結合（aQGC）を探索することであり、これは高エネルギースケールにおける標準模型の予測からの逸脱を明らかにする可能性がある。

手法
本解析では、CMS検出器によって収集された、重心エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV、2016年から2018年のデータ収集期間における積分ルミノシティ 138 fb$^{-1}$ に対応する陽子・陽子衝突データを利用する。

• 信号選択: 信号過程は $pp(\gamma\gamma) \to p^{(*)}W^+W^-p^{(*)}$ と定義される。ここで $p^{(*)}$ は、無傷のまま残るか、あるいは崩壊した最終状態の陽子を表す。本解析は、異なる電荷を持つ孤立した1つの電子と1つのミューオン（$e\mu$）からなる最終状態を対象とする。光子融合イベントの決定的な特徴は、生成頂点に関連する追加の荷電粒子が存在しないことである。したがって、信号領域（SR）は、$e\mu$ 頂点の近傍で $p_T > 0.5$ GeV かつ $|\eta| < 2.5$ の追加トラック数がゼロ（$N_{\text{tracks}} = 0$）であることを要求することで定義される。
• 制御領域と背景事象: 背景事象を制約するために、制御領域（CR）は $1 \le N_{\text{tracks}} \le 5$ と定義される。支配的な背景事象は、包括的な $W^+W^-$ 生成、ドレ・ヤン（$Z/\gamma^* \to \tau\tau$）、およびジェットがレプトンと誤認される過程である。$\gamma\gamma \to \tau\tau$ 背景事象も考慮される。
• シミュレーションと補正: 信号および背景事象は、様々なジェネレータ（SUPERCHIC 4, MADGRAPH5_aMC@NLO, POWHEG, PYTHIA 8）を用いてシミュレーションされる。手法の重要な側面は、シミュレーションが低トラック環境を適切にモデル化できていないため、シミュレートされたトラック多重度（$N_{\text{tracks}}$）分布を補正することである。データ駆動型の補正は $\mu\mu$ 最終状態を用いて導出され、信号および背景サンプルの両方にイベント重みとして適用される。
• 統計解析: 断面積は、電子とミューオンの横運動量和（$p_T^{e\mu}$）に対するビン化最大尤度フィットを用いて抽出される。この観測量は、ドレ・ヤンのような低 $p_T^{e\mu}$ の背景事象から、信号（ニュートリノによる顕著な欠損横運動量を持つ）を効果的に分離する。フィットには、系統誤差のための核座パラメータが含まれ、ドレ・ヤンおよび包括的 $WW$ 背景事象の正規化を、CRによって制約された上で、浮動値として扱うことが可能である。

主要な貢献

1. CMSによる初の観測: 本解析は、CMSコラボレーションによる光子融合 $W$ ボソン対生成の初観測を報告しており、5標準偏差を大きく上回る有意度を達成している。
2. 精密な断面積測定: 本研究は、13 TeVにおける138 fb$^{-1}$ の全データセットを用いた、この過程の全断面積およびフィデューシャル断面積の初の測定を提供する。
3. EFTによる制約: 本論文は、いくつかの異常四重ゲージ結合に対する、現在最も強力な制約を提示している。特に、CP奇パリティ（CP-odd）の次元8演算子に対する制限を、この文脈において初めて導出しており、これに加えてCP偶パリティ（CP-even）演算子の制限も示している。
4. 手法の洗練: 本解析は、低多重度環境におけるトラック多重度モデリングを補正するための、堅牢なデータ駆動型アプローチを詳述している。この手法は、排他的および半排他的な光子融合過程を分離するために不可欠である。

結果

• 断面積: 測定された $\gamma\gamma \to W^+W^-$ の包括的断面積は $643^{+82}_{-78}$ fb である。解析選択基準内で定義された測定されたフィデューシャル断面積は $3.96^{+0.53}_{-0.51}$ fb である。
• 標準模型との一致: これらの結果は、SUPERCHIC 4 ジェネレータによる標準模型の予測（包括的に $631 \pm 126$ fb、フィデューシャルで $3.87 \pm 0.77$ fb）と極めて良く一致している。
• EFT制限: 本解析は、次元8のEFT演算子（$f_{M,i}/\Lambda^4$ および $f_{T,i}/\Lambda^4$）に対する95%信頼区間（CL）を設定している。観測された制限は、異なる最終状態（例：$W\gamma, Z\gamma,$ および同符号 $WW$）における従来のCMS測定と比較して競争力があり、場合によってはそれよりも厳しい。例えば、演算子 $f_{M,0}/\Lambda^4$ の制限は $[-3.24, 3.25]$ TeV$^{-4}$ である。

意義
本論文は、この過程の観測が、13 TeV エネルギースケールにおける光子融合 $W$ ペア生成の標準模型の予測を裏付けるものであると主張している。データと理論の一致は、陽子の崩壊および生存確率の扱いを含む、これらの排他的過程の理論的モデリングの妥当性を検証するものである。さらに、導出された次元8演算子の制約は、標準模型のゲージ構造に対する厳格なテストとなり、四重ゲージ結合に影響を与える潜在的な超標準模型物理学の新たな境界を設定するものである。CP奇パリティ演算子の制限の導入は、このチャネルにおける異常相互作用の探索範囲を大幅に拡大している。