Evidence of ZZ$\gamma$ production and observation of $4\ell\gamma$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Het CMS-experiment heeft voor het eerst bewijs gevonden voor de productie van twee Z-bosonen en een foton (ZZγ) en de productie van vier leptonen met een foton (4ℓγ) waargenomen in proton-protonbotsingen bij een energie van 13 TeV.

De kern

De Grote Klap: Een Zeldzame Dans van Deeltjes

Stel je voor dat de Large Hadron Collider (LHC) bij CERN een gigantische, hyper-snelle bowlingbaan is. Hier worden protonen (kleine deeltjes) met bijna de lichtsnelheid tegen elkaar gebotst. Meestal ontstaan er bij deze botsingen saaie, voorspelbare spullen. Maar soms, heel zelden, gebeurt er iets magisch: er ontstaan drie zware deeltjes tegelijk, die samen een "triboson" noemen.

Dit specifieke artikel van het CMS-experiment (een van de twee grote "camera's" bij CERN) rapporteert een historische ontdekking: het zien van twee Z-bosonen en één foton (lichtdeeltje) die samen worden geboren.

De Analogie: Een Drie-Persoons Dansfeest

Om dit te begrijpen, laten we de deeltjes zien als dansers op een feestje:

• De Z-bosonen zijn twee zware, stoere dansers. Ze zijn zwaar en moeilijk te maken.
• Het foton is een licht, snel dansje dat als een vonk door de lucht vliegt.
• De botsing is de muziek die start.

Meestal zien we maar één of twee van deze dansers. Maar in dit experiment hebben de wetenschappers bewijs gevonden dat er soms drie tegelijk op de dansvloer verschijnen: twee Z's en een foton. Dit is als het vinden van een foto waarop drie beroemdheden samen dansen, terwijl je dacht dat ze elkaar nooit zouden ontmoeten.

Hoe hebben ze dit gezien? (De Camera en de Bewijslast)

De wetenschappers keken naar 138 biljoen botsingen (dat is de hoeveelheid data die ze hebben verzameld tussen 2016 en 2018). Omdat dit proces zo zeldzaam is (ongeveer één keer per biljoen botsingen), moeten ze heel slim zoeken.

1. Het Signaal: Ze zochten naar een specifieke "handtekening": vier geladen deeltjes (elektronen of muonen) en één foton.
   • Vergelijking: Stel je voor dat je in een drukke stad op zoek bent naar een specifieke groep mensen: twee mensen in rode jassen (de Z-bosonen, die elk in twee kleinere deeltjes uiteenvallen) en één persoon met een felgele hoed (het foton).
2. De Uitdaging: Er zijn veel "verkeerde" groepen die op die groep lijken. Bijvoorbeeld, als een foton per ongeluk van een van de dansers afkomt (dit heet straling).
   • De wetenschappers moesten onderscheid maken tussen:
     • De echte dans: De drie deeltjes worden samen geboren (het echte ZZγ proces).
     • De nep-dans: Twee deeltjes worden geboren, en het derde valt er later per ongeluk af (straling).

De Resultaten: "Een Zekere Hint" en "Een Duidelijk Bewijs"

Het team deed twee metingen:

1. De "Echte" Drie-Dans (ZZγ)
Ze keken specifiek naar het geval waar de drie deeltjes echt samen worden geboren.

• Resultaat: Ze vonden genoeg gevallen om te zeggen: "We hebben bewijs!" (In de wetenschap heet dit "evidence", wat betekent dat het 99,7% zeker is dat het echt gebeurt, maar nog niet 100% "ontdekking").
• De kans: De kans dat dit toeval was, is ongeveer 1 op de 3.000. Dat is als het winnen van een kleine loterij, maar dan met de natuurwetten.

2. De "Alles-in-Één" Dans (Inclusief straling)
Ze keken ook naar een bredere groep, waarbij ze ook de gevallen includeerden waar het foton per ongeluk van een deeltje afkwam.

• Resultaat: Hier vonden ze duidelijk bewijs (een "observation").
• De kans: De kans op toeval is hier 1 op de 3,5 miljoen. Dit is als het winnen van de grote loterij.

Waarom is dit belangrijk?

Stel je het Standaardmodel (de regels van het universum) voor als een heel compleet receptboek. Tot nu toe kenden we de recepten voor het maken van één of twee deeltjes. Dit artikel is als het vinden van een nieuw, heel moeilijk recept in het boek: "Hoe maak je drie deeltjes tegelijk?"

• Het test de regels: Als het aantal keer dat ze dit zagen precies overeenkomt met wat het receptboek voorspelt, betekent dit dat onze theorieën kloppen.
• Het resultaat: De metingen van CERN komen perfect overeen met de voorspellingen. Het universum doet precies wat we dachten dat het zou doen, zelfs bij deze extreem zeldzame gebeurtenissen.

Samenvatting in één zin

Het CMS-team heeft met een enorme hoeveelheid data bewezen dat het mogelijk is om twee zware deeltjes en een lichtdeeltje tegelijk te maken in een botsing, wat een nieuwe, zeldzame dans in het universum bevestigt die precies voldoet aan de regels van de natuurkunde.

Het is een overwinning voor de precisie: we weten nu niet alleen dat het gebeurt, maar ook hoe vaak, en het antwoord is precies wat we dachten.

Technische samenvatting

Titel: Bewijs van ZZγ-productie en observatie van 4ℓγ in proton-protonbotsingen bij √s = 13 TeV

1. Het Probleem en de Context

De meting van zeldzame elektroweak (EW) processen biedt strenge tests voor het Standaardmodel (SM) en kan nieuwe fysica onthullen. De productie van drie elektroweak bosonen in één proton-protonbotsing (triboson-productie) is een van de zeldzaamste processen die toegankelijk zijn bij de Large Hadron Collider (LHC), met werkzame doorsneden in de orde van tientallen attobarns.

Hoewel de ATLAS- en CMS-collaboraties eerder al producties van twee fotonen met een vectorboson (WZγ, WWγ, Zγγ) en zelfs drie massieve bosonen hadden waargenomen, was er nog geen overtuigend bewijs voor de specifieke productie van twee Z-bosonen en een foton (ZZγ). Dit proces is belangrijk omdat het bijdraagt aan het begrijpen van triple en quartic gauge-koppelingen en diagrammen die via het Higgs-boson worden gemedieerd.

2. Methodologie

Data en Detector:

• Data: De analyse gebruikt data verzameld door de CMS-experiment tussen 2016 en 2018 bij een centrummassa-energie van 13 TeV. Dit komt overeen met een geïntegreerde luminositeit van 138 fb⁻¹.
• Signaalkanaal: Het onderzoek richt zich op het eindtoestand met vier geladen leptonen (elektronen of muonen, ℓ = e, µ) en één foton (γ). Het signaal wordt gedefinieerd als $pp \to ZZ\gamma \to 4\ell\gamma$.
• Selectiecriteria:
  • Leptonen moeten geïsoleerd zijn en een transversale impuls ($p_T$) hebben van > 7 GeV (elektronen) of > 5 GeV (muonen).
  • De Z-boson kandidaten (paren van tegengesteld geladen, gelijksoortige leptonen) moeten een massa hebben tussen 60 en 120 GeV.
  • De foton moet een $p_T > 20$ GeV hebben en binnen de pseudorapidity $|\eta| < 2.4$ liggen (exclusief de overgangsregio van de calorimeters).
  • Om het triboson-signaal te isoleren van achtergrondprocessen met straling uit het eindtoestand (FSR), wordt een extra eis gesteld: de invariant massa van een leptonpaar gecombineerd met de foton ($m_{\ell\ell\gamma}$) moet groter zijn dan 100 GeV.

Simulatie en Achtergrond:

• Signal: Gesimuleerd met MADGRAPH5_aMC@NLO (NLO in QCD, LO in EW).
• Achtergrond: De belangrijkste achtergronden zijn:
  • $ZZ$-productie met niet-prompt fotonen (uit jets of conversies).
  • $ZZ$-productie met straling uit het eindtoestand (FSR).
  • Zeldzame processen zoals $WZ\gamma$, $ttZ$, etc.
• Achtergrondschatting: Niet-prompt leptonen en fotonen worden geschat met datagedreven methoden ("tight-to-loose" en "fake rate" methoden) in controlegebieden (CR). Voor het zeldzame ZZγ-regio wordt de achtergrond voornamelijk geschat via simulatie.

Statistische Analyse:

• Er worden twee analysegebieden gebruikt:
  1. Triboson SR (Signal Region): Strikte selectie om ZZγ te isoleren.
  2. Inclusief SR: Een bredere selectie die ook FSR-bijdragen omvat ($pp \to 4\ell\gamma$ zonder de strenge $m_{Z\gamma}$-eis).
• De resultaten worden verkregen via een maximum-likelihood template fit van de invariant massa van het vier-lepton-foton systeem ($m_{4\ell\gamma}$). De parameter van belang is de signaalsterkte ($\mu$), gedefinieerd als de verhouding tussen de gemeten en de verwachte SM-werkzame doorsnede.

3. Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Bewijs van ZZγ: Dit paper rapporteert voor het eerst in CMS het bewijs (evidence) van de productie van twee Z-bosonen en een foton ($pp \to ZZ\gamma$).
2. Observatie van Inclusieve 4ℓγ: Het paper presenteert ook een observatie van de totale productie van vier leptonen en een foton ($pp \to 4\ell\gamma$), inclusief bijdragen van straling uit het eindtoestand.
3. Kruissectie-metingen: Er worden nauwkeurige metingen gedaan van de werkzame doorsnede in het fiduciële gebied, vergeleken met theoretische voorspellingen.
4. Technische Innovatie: Het gebruik van een multivariate discriminant voor fotonselectie in het triboson-regio om de achtergrond te onderdrukken, en het toepassen van strikte kinematische cuts om FSR te onderdrukken voor de zuivere triboson-meting.

4. Resultaten

A. Triboson Proces ($pp \to ZZ\gamma \to 4\ell\gamma$):

• Significantie: De waargenomen significantie bedraagt 3,7 standaarddeviaties (σ), met een verwachte significantie van 3,1 σ. Dit voldoet aan de definitie van "bewijs" (evidence).
• Werkzame Doorsnede: De gemeten fiduciële werkzame doorsnede is 60 +27/-22 ab (attobarn).
• Voorspelling: De SM-voorspelling is 47,56 ± 0,04 ab. De meting is consistent met het Standaardmodel.

B. Inclusief Proces ($pp \to 4\ell\gamma$):

• Significantie: Door de eis aan de $m_{Z\gamma}$ massa te verwijderen (waardoor FSR-processen worden opgenomen), stijgt de significantie tot 5,0 σ (waargenomen) en 4,2 σ (verwacht). Dit is een officiële observatie.
• Werkzame Doorsnede: De gemeten fiduciële werkzame doorsnede is 156 +39/-35 ab.
• Voorspelling: De SM-voorspelling is 99,97 ± 0,09 ab. Ook hier is de meting consistent met het SM, hoewel de centrale waarde iets hoger ligt (binnen de onzekerheden).

Onzekerheden:

• De statistische onzekerheid domineert in beide metingen (>90-98% van de totale onzekerheid).
• Belangrijke systematische onzekerheden komen voort uit de normalisatie van de achtergrond (niet-prompt fotonen), de lepton-efficiëntie en de theoretische schaalvariatiën.

5. Betekenis en Conclusie

De resultaten van deze analyse vertegenwoordigen een mijlpaal in de hoge-energie fysica:

• Zeldzaamheid: De gemeten werkzame doorsnede voor ZZγ (60 ab) is de kleinste ooit gemeten bij de LHC.
• Validatie van het Standaardmodel: De waargenomen processen komen goed overeen met de voorspellingen van het Standaardmodel, wat de huidige theorieën over elektroweak interacties en gauge-koppelingen bevestigt.
• Toekomst: Deze metingen leggen de basis voor nog preciezere tests van anomale quartic gauge-koppelingen (aQGC) en zoeken naar afwijkingen die kunnen wijzen op nieuwe fysica. Het succes van de analyse toont ook de kracht van de CMS-detector en de geavanceerde statistische methoden om extreem zeldzame signalen uit een grote achtergrond te halen.

Kortom, dit paper levert het eerste overtuigende bewijs in CMS voor de productie van twee Z-bosonen en een foton, en bevestigt de observatie van de bredere categorie van vier-lepton-plus-foton-productie bij 13 TeV.