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

Resumo Técnico: Combinação de Buscas por Ressonâncias de Bósons Vetoriais Pesados em Colisões Próton-Próton a $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problema e Motivação
A busca por ressonâncias pesadas que decaem em estados finais de dois corpos continua sendo um componente central do programa de física no LHC (Large Hadron Collider) do CERN, visando descobrir física além do Modelo Padrão (BSM). Embora a descoberta dos bósons $W$, $Z$ e Higgs tenha confirmado o Modelo Padrão e o mecanismo de quebra de simetria eletrofraca, a existência de parceiros de spin-1 pesados ($W'$ e $Z'$, coletivamente $V'$) é prevista por vários cenários BSM, incluindo modelos de Higgs composto, modelos de Little Higgs e extensões sequenciais do SM. Essas ressonâncias poderiam se acoplar predominantemente a férmions ou bósons do SM, ou atuar como portais para setores de matéria escura.

Buscas individuais para essas ressonâncias ocasionalmente relataram excessos localizados de eventos (por exemplo, em estados finais totalmente hadrônicos ou canais de dibósons específicos) com significâncias locais atingindo até 3,6 desvios padrão (SD). No entanto, esses desvios não foram estatisticamente significativos o suficiente para reivindicar evidência de física BSM. Uma análise estatística combinada é essencial para maximizar a sensibilidade, explorar plenamente os resultados de buscas individuais e fornecer uma avaliação robusta de potenciais desvios das expectativas do SM, particularmente dada a natureza complementar dos diferentes canais de decaimento e mecanismos de produção.

Metodologia
Este artigo apresenta uma análise estatística combinada de buscas do CMS para ressonâncias vetoriais de spin-1 pesadas que decaem em pares de bósons $W$, $Z$ ou Higgs, bem como em pares de quarks ($qq, bb, tt, tb$) ou pares de léptons ($\ell^+\ell^-, \ell\nu$, onde $\ell = e, \mu, \tau$). A análise utiliza dados de colisões próton-próton coletados pelo experimento CMS de 2016 a 2018 a uma energia de centro de massa de 13 TeV, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb$^{-1}$.

• Modelo de Sinal: Os resultados são interpretados dentro do framework simplificado de Triplete Vetorial Pesado (HVT), uma parametrização fenomenológica que abrange uma ampla classe de modelos que preveem bósons vetoriais pesados. O framework define três cenários de referência:
  • Modelo A: Uma extensão fracamente acoplada baseada em simetria de calibre estendida, onde a produção de $V'$ é dominada pela aniquilação quark-antiquark (processo Drell-Yan).
  • Modelo B: Um cenário fortemente acoplado (ex: Higgs composto), também dominado pela produção Drell-Yan, mas com diferentes forças de acoplamento que favorecem decaimentos bosônicos.
  • Modelo C: Um cenário onde a produção ocorre exclusivamente via fusão de bósons vetoriais (VBF), com o bósão $V'$ desacoplado dos férmions do SM.
• Canais de Entrada: A combinação inclui os canais mais sensíveis para decaimentos de ressonâncias de spin-1, categorizados pelo estado final:
  • Leptônico: $Z' \to \ell^+\ell^-$, $W' \to \ell\nu$, $Z' \to \tau^+\tau^-$, $W' \to \tau\nu$.
  • Hadrônico/Fermiônico: $V' \to qq'$, $W' \to tb$ (0$\ell$ e 1$\ell$), $Z' \to t\bar{t}$ (1$\ell$).
  • Bosônico: $W' \to WZ$, $Z' \to ZH$, $V' \to WV/WH$, e $V' \to VV/VH$ (totalmente hadrônico).
  • Reconstrução: Para ressonâncias de alta massa, os produtos de decaimento são frequentemente altamente "boosted" (impulsionados). Jets de raio pequeno ($R=0.4$) e de raio grande ($R=0.8$) são reconstruídos usando o algoritmo anti-$k_T$. Técnicas de subestrutura de jet (ex: soft-drop) e taggers baseados em aprendizado de máquina são empregados para identificar bósons $W/Z/H$ e quarks top "boosted".
• Combinação Estatística: A combinação é realizada através de um ajuste de máxima verossimilhança simultâneo em todas as análises individuais usando a ferramenta CMS COMBINE. Para garantir a independência estatística, espaços de fase sobrepostos são tratados retendo apenas o canal com a maior sensibilidade esperada para um dado modelo de sinal e hipótese de massa. As incertezas sistemáticas (teóricas, experimentais e de modelagem de fundo) são tratadas como parâmetros de perturbação (nuisance parameters), com correlações aplicadas onde apropriado (ex: escala de energia do jet, luminosidade).

Principais Contribuições

• Combinação Abrangente: Este trabalho representa a combinação mais abrangente de buscas do CMS para bósons vetoriais pesados até o momento, integrando resultados de 16 canais de busca distintos cobrindo uma ampla gama de estados finais e modos de produção.
• Melhoria de Sensibilidade: Ao combinar canais com sensibilidades complementares (ex: canais leptônicos dominando em cenários fracamente acoplados e canais bosônicos hadrônicos em cenários fortemente acoplados), a análise alcança restrições mais rigorosas do que qualquer canal individual ou combinações anteriores.
• Tratamento de Excessos: A análise aborda excessos localizados previamente relatados (ex: o excesso de 3,6 SD em 2,1 e 2,9 TeV em canais totalmente hadrônicos). A combinação demonstra que esses excessos não são consistentes entre diferentes canais, levando a uma redução de sua significância quando visualizados globalmente.
• Exploração do Espaço de Parâmetros: Além de estabelecer limites de massa, a análise explora o espaço de acoplamento HVT ($g_F$ vs. $g_H$) e investiga acoplamentos não universais para quarks de terceira geração ($g_{q3}$ vs. $g_{q12}$), fornecendo restrições que nenhum canal sozinho poderia alcançar.

Resultos

• Observação: Nenhuma desviação significativa das expectativas do Modelo Padrão é observada na análise combinada. O ajuste de bondade de ajuste global produz um $p$-valor de aproximadamente 34% sob a hipótese de apenas fundo.
• Limites de Exclusão: A análise estabelece limites superiores de nível de confiança (CL) de 95% para as seções de choque de produção e forças de acoplamento:
  • Modelo A (Fracamente Acoplado): Ressonâncias com massas abaixo de 5,5 TeV são excluídas.
  • Modelo B (Fortemente Acoplado): Ressonâncias com massas abaixo de 4,8 TeV são excluídas.
  • Modelo C (Produção VBF): Ressonâncias com massas de até 2,0 TeV são excluídas (especificamente, 1,2–1,4 TeV para $g_H=3$ e abaixo de 2 TeV para $g_H=6$).
• Restrições de Acoplamento: A combinação fornece as restrições mais rigorosas até o momento ao espaço de parâmetros de acoplamento HVT. Comparado aos resultados usando apenas o conjunto de dados de 2016, a sensibilidade é melhorada por um fator de 1,7 a 3,6 para o cenário fortemente acoplado e de 4,4 a 7,7 para o cenário fracamente acoplado.
• Excessos: Os maiores excessos locais observados na combinação são 2,4 SD em 2,6 TeV e 2,1 SD em 3,4 TeV para o Modelo A, e 2,3 SD em 2,9 TeV e 2,4 SD em 3,0 TeV para o Modelo B. Estes são significativamente reduzidos em comparação com os resultados de canais individuais e não constituem evidência de nova física. A combinação também não confirma um excesso do ATLAS relatado anteriormente em torno de 1,5 TeV.

Significância
O artigo afirma que esta combinação fornece as restrições mais rigorosas e abrangentes até o momento sobre a produção de tripletos vetoriais pesados. Os resultados representam uma melhoria significativa em relação às restrições anteriores, impulsionada pela inclusão do conjunto completo de dados da Run 2 (138 fb$^{-1}$) e avanços nas análises subjacentes, particularmente o uso de técnicas avançadas de tagging de subestrutura de jet e estratégias de extração de sinal tridimensionais em canais totalmente hadrônicos. Embora os resultados não confirmem a existência de bósons vetoriais pesados, eles efetivamente excluem grandes porções do espaço de parâmetros previsto pelo framework HVT, orientando assim futuros esforços teóricos e experimentais na busca por física BSM.