Search for anomalous couplings in WW and WZ production with single-lepton final states in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

技術要約：単一レプトン最終状態におけるWWおよびWZ生成における異常結合の探索

問題と動機
素粒子物理学における標準模型（SM）は、基本的な相互作用を成功裏に記述しているが、ダークマターのような現象を説明するには至っていない。標準模型を超える（BSM）物理は、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が直接到達できるエネルギー領域を超えたスケールに存在する可能性があるが、その影響は標準模型粒子の相互作用における偏差として現れる可能性がある。本解析では、有効場理論（EFT）のアプローチを用いて、ダイボゾン対（$WW$および$WZ$、総称して$WV$）の生成におけるそのような偏差を探索する。本研究では、ゲージ粒子の自己結合（異常三重ゲージ結合、aTGC）およびベクトル粒子とクォークの間の結合を修正する次元6演算子に焦点を当てる。解析は、異常な寄与が最も顕著になると予想される高エネルギー領域を対象としており、具体的には、$W$または$Z$ボソンのハドロン崩壊生成物が高度にブーストされ、単一の大きな半径を持つジェットに集約されるイベントに着目している。

手法
本解析は、CMS実験によって記録された、重心エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV、積分ルミノシティ $138 \text{ fb}^{-1}$（2016年から2018年にかけて収集）の陽子・陽子衝突データを利用している。

• イベント選択: 本研究では、一つの$W$ボソンがレプトン的に崩壊し（$W \to \ell\nu$、ここで $\ell = e, \mu$）、第二のベクトル粒子（$W$または$Z$）がハドロン的に崩壊する単一荷電レプトン最終状態を再構成する。高運動量のボソンに対する感度を高めるため、ハドロン崩壊生成物は単一の大きな半径のジェット（$R=0.8$）にクラスタリングされる。
• 再構成とタギング:
  • レプトン崩壊する$W$は、荷電レプトンと欠損横運動量（$p_T^{\text{miss}}$）を用いて再構成される。
  • ハドロン崩壊するボソンは、ジェット部分構造技術を用いて識別される。パイアップやアンダーラインイベントの影響を軽減するためにソフトドロップ・アルゴリズムが適用され、ソフトドロップ・ジェット質量（$m_{\text{jet}}^{\text{SD}}$）が計算される。
  • ブーストされた$W/Z$ボソンから生じたジェットとQCDマルチジェット背景事象を識別するために、動的グラフ畳み込みニューラルネットワークに基づく専用の機械学習分類器、PARTICLENETが採用されている。
• シグナル領域（SR）: 再構成されたジェット質量に基づき、イベントは2つのSRに分類される：$WW$に敏感な領域（$75 < m_{\text{jet}}^{\text{SD}} < 95$ GeV）と$WZ$に敏感な領域（$95 < m_{\text{jet}}^{\text{SD}} < 115$ GeV）。運動学的要件には、再構成されたレプトン崩壊$W$およびリーディングな大きな半径のジェットの両方に対する $p_T > 200$ GeV、および$WV$系の不変質量（$m_{WV}$）が 950 から 4550 GeV の範囲であることが含まれる。
• 背景事象の推定: 主要な背景事象は $W$+jets およびトップクォーク対（$t\bar{t}$）生成である。
  • $W$+jets の寄与は、$m_{\text{jet}}^{\text{SD}}$ 分布のサイドバンドで定義された制御領域（CR）を用い、データの直接的な利用によって推定される。この際、誤認率に関するシミュレーションへの依存を減らすために、PARTICLENET タガーの質量デコレーション特性を利用して滑らかな補間を行う。
  • $t\bar{t}$ 背景事象は、少なくとも一つの $b$ タグ付き小半径ジェットを要求するCRを用いて制約される。
  • その他の背景事象（シングルトップ、標準模型ダイボゾン、「その他」）は、理論的な断面積に正規化された、あるいは同時にフィットされるモンテカルロ（MC）シミュレーションを用いて推定される。
• 統計解析: $m_{WV}$ 分布に対して、SRおよびCRを横断する同時ビン付き最大尤度フィットが行われる。このフィットにより、2つのEFTコンベンションに関するウィルソン係数（WC）の制約が抽出される：
  1. HISZ コンベンション: 三重ゲージボソン結合を修正する5つの演算子（3つのCP保存および2つのCP非保存）に焦点を当てる。
  2. SMEFT フレームワーク: ワルサス・ベースにおける18の演算子を調べ、特定のフレーバー構造（TOPU3L）を仮定して、ゲージボソンの自己結合および軽クォークへの結合に影響を与えるものを含む。

主要な貢献

• データセットと技術: 本研究は、Full Run 2 CMSデータセット（$138 \text{ fb}^{-1}$）を利用しており、これは以前の解析（例：2016年の $36 \text{ fb}^{-1}$ の解析）と比較して統計量が大幅に増加していることを示している。また、この特定のチャネルにおける $W/Z$ ジェト識別において、背景事象の排除を改善する PARTICLENET ディープラーニングタガーの使用を導入している。
• 包括的なEFT制約: 本解析は、一貫したEFTフレームワーク内で、異常三重ゲージ結合とベクトルボソン・クォーク相互作用の両方に影響を与える広範な次元6演算子に対する同時制約を提供する。
• 背景事象の取り扱い: 本手法は、質量サイドバンドと質量デコレーション・タガーを用いたデータ駆動型のアプローチを用いて主要な $W$+jets 背景事象を処理しており、誤認率のシミュレーションモデリングへの依存を低減している。

結果
観測されたデータは、統計的および系統的な不確かさの範囲内で標準模型の予測と一致している。$m_{WV}$ スペクトルにおいて有意な偏差は見られなかった。

• HISZ の限界: 本解析は、異常三重ゲージ結合に対応するウィルソン係数に対して、現在までで最も厳格な制約を報告している。例えば、$c_{WWW}^{\text{HISZ}}/\Lambda^2$ の95%信頼区間（CL）は $[-0.93, 0.93] \text{ TeV}^{-2}$ であり、これは従来の限界に対して30–70%の改善を示している。
• SMEFT の限界: 18のSMEFT演算子に対して制約が設定された。三重ゲージ結合に影響を与える演算子の境界は、現在報告されている中で最も厳しい。四クォーク演算子に関する限界は、従来のインクルーシブ・ジェット測定によるものと競争力がある。
• エネルギー・スケール: 観測されたWCの限界は、BSMエネルギー・スケール $\Lambda$ の下限値へと翻訳される。結合強度 $c_j = 1$ の場合、解析は特定の演算子に応じて数TeVまでのスケールを排除する。

意義
本論文は、単一レプトン最終状態を用いた、異常三重ゲージ結合に対応する演算子のウィルソン係数に対する、現在最も厳格な制約を提供すると主張している。ベクトルボソンとクォークの結合に対する境界は、インクルーシブ・ジェット測定から導出されたものと同等の競争力があるとされている。$m_{WV}$ 分布の高エネルギー・テールに焦点を当て、ジェット部分構造のための高度な機械学習を採用することで、本解析は、新粒子の直接生成閾値を大幅に上回るエネルギー・スケールにおけるBSM物理への感度を最大化している。結果は標準模型と一致しており、次元6EFT演算子によって記述される潜在的なBSMシナリオのパラメータ空間を狭めている。