Пары векторных бозонов

11. Пары векторных бозонов

Измерения рождения пар векторных бозонов являются важной проверкой Стандартной модели применительно к процессам с очень малыми сечениями, т.е. являются выходом на следующий этап прецизионной физики и демонстрируют справедливость Стандартной модели на диапазоне многих порядков величин сечений. Диаграмма на рис.11.1 показывает диапазон измеренных в эксперименте ATLAS сечений, связанных с рождением векторных бозонов, и интегральную светимость протонных соударений, на которой выполнены измерения. Там же приведены теоретические значения соответствующих сечений в Стандартной модели.

Рис.11.1. Диаграмма сечений процессов Стандартной модели в рр взаимодействиях при энергиях 7 – 8 ТэВ, измеренных в эксперименте ATLAS.

Эти процессы составляют главный фон при выделении рождения бозона Хиггса. Кроме того, они позволяют получить оценки на величины констант связи для аномальных трех-бозонных вершин векторных бозонов. Примеры таких вершин приведены ниже на рис.11.2.

Рис.11.2. Диаграммы аномальных трех-бозонных вершин.

Рождение пар WZ бозонов

Измерения рождения WZ бозонов представлены в работах [1,2]. Данные получены на полной интегральной светимости 4.6 фб^-1 при 7 ТэВ [1] и 13 фб^-1, собранных при 8 ТэВ [2]. Сигнал выделялся в каналах распада WZ→ℓνℓℓ, включая четыре моды еνее, μνее, еνμμ, μνμμ.
Структура электрослабой стандартной модели основана на неабелевойй калибровочной группе
SU(2)_L×U(1)_Y. Эта модель хорошо описывает имеющиеся экспериментальные данные. Массы векторных бозонов и их константы связи с фермионами измерены в экспериментах LEP, Tevatron, SLD. Однако точность измерения константы связи предсказываемой в теории трех-бозонной вершины (TGC, рис.11.2б) пока недостаточна. Ее определение возможно из измерений рождения WZ пар. Эти измерения позволяют проверить поведение электрослабой теории при увеличении энергии взаимодействий и чувствительны к возможному проявлению новой физики в бозонном секторе. Отклонения от значений строго фиксированных констант могут привести к значительному увеличению сечений рождения пар WZ бозонов, особенно в области больших значений инвариантных масс таких пар благодаря аномальным констанатам связи. Суперсимметричные модели с расширенным хиггсовским сектором (существование заряженного бозона Хиггса) и модели с дополнительными тяжелыми калибровочными бозонами W’, Z’ могут приводить в увеличению сечения рождения пар W^±Z. На БАК рождение пар W^±Z происходит в основном из кварк-антикваркового начального состояния (q). Фейнмановские диаграммы лидирующего порядка (древесные диаграммы) такого рождения для приведены на рис.11.3(а,б) для t-канального (а) и u-канального рождения W^±Z (б) . Диаграмма s-канального рождения содержит аномальную TGC-вершину, приведенную на рис.2б. Характеристики выделенного сигнала рождения пар WZ при энергии 8 ТэВ приведены на рис.11.4.

Рис.11.3. Лидирующие диаграммы рождения пар WZ бозонов: а) − t-канальное рождение W^±Z,
б) − u-канальное рождение W^±Z.

Рис.11.4. Инвариантная масса Z бозона выделенного сигнала пар WZ при 8 ТэВ слева и инвариантная масса пар WZ справа.

На светимости 13 фб^-1 найдено 1094 кандидата WZ распада при 277±9±24 количестве фоновых событий. Измеренное полное сечение рождения пар WZ при 8 ТэВ составило
σ _tot (WZ) = 20.3 ^+0.8_−0.7 (стат.) ^+1.2_−1.1 (сист.) ^+0.7_−0.6 (свет.) пб, что согласуется с теоретическим предсказанием Стандартной модели 20.3 пб. На рис.11.5 показаны экспериментальные результаты измерения сечений рождения WZ и теоретические расчеты в зависимости от энергии в системе центра масс соударений нуклонов. Ограничения на величины констант связи аномальных вершин TGC получены в ATLAS пока только при 7 Тэв [1]. Эти результаты приведены на рис.11.6. Точность полученных ограничений сравнима с результатами на Теватроне. Анализ полученных данных в эксперименте ATLAS продолжается.

Рис.11.5. Измеренные сечения рождения WZ на Теватроне и в эксперименте ATLAS и теоретические предсказания СМ в зависимости от энергии в системе центра масс соударений нуклонов.

Рис.11.6. Допустимый с точностью 95% интервал параметров аномальной трех-бозонной вершины TGC, установленный в экспериментах ATLAS и D0 [2].

Рождение пар ZZ бозонов

Измерение сечения рождения пар ZZ бозонов в эксперименте ATLAS получены при полной интегральной светимости 20 фб^-1 рр соударений при 8 Тэв [3]. Результаты измерений при 7 ТэВ приведены в [4]. Диаграммы лидирующего порядка этого процесса приведены на рис.11.7 для начальных кварк-антикварковых состояний q и глюонных gg. Вклад глюонных каналов составляет порядка 6%. Диаграмма вклада аномальных трех-бозонных вершин ZZZ и ZZγ (nTGCs), дающих вклад в рождение ZZ бозонов приведена на рис.11.2а. Многие модели физики за пределами СМ предсказывают значительный вклад таких вершин с константами связи порязка 10^-4 – 10^-3, что должно приводить к увеличению сечений рождения пар ZZ бозонов. Рождение пар ZZ исследовалось ранее на LEP и на Теватроне. Не было обнаружено превышений сечения ZZрождение над расчетным в СМ. Бозон Хиггса распадается на пару ZZ, где один из бозонов находится на массовой поверхности. Этот процесс составляет около 3% сечения рождения пары ZZ. Никаких резонансов в области больших инвариантных масс ZZпар не обнаружено.

Рис.11.7. Диаграммы лидирующего порядка рождения пар ZZ бозонов для начального состояния q (а,б) в t и u-каналах и gg (в,г).

На рис.11.8 слева показана диаграмма инвариантных масс лидирующего Z бозона относительно следующего за лидирующим по массе. Пунктиром показаны интервалы масс Z бозонов 66-116 ГэВ. Квадратом выделена область парного рождения. Хорошо видны события, когда один из Z или оба находятся вне массовой поверхности. Исследовались каналы распадов е⁺е^-е⁺е^-, μ⁺μ^-μ⁺μ^-, е⁺е^-μ⁺μ^-, включая лептонные распады τ на μ и е. На рис.8 справа приведено распределение инвариантных масс пар ZZ, из области квадрата, когда оба находятся на массовой поверхности. Видно, что распределение массы согласуется с расчетным, приведенным в виде гистограммы.
На рис.11.9 показаны измеренные сечения рождения пар ZZ, измеренные в эксперименте ATLAS при энергиях 7 и 8 Тэв, в сравнении с результатами измерений на Теватроне и эксперимента CMS на БАК. Приведены также предсказания СМ. Результаты измерений при 8 ТэВ, выполненные на большей статистике, лучше согласуются с расчетами СМ. Полное число выделенных ZZ событий при 8 ТэВ составило 305, из которых 292 ± 10 относятся к сигналу, а 20 ± 6 составляют фон. Измеренное сечение составляет величину σ_zz= 7.1 ± 0.5 (стат.) ± 0.3 (сист.) ± 0.2 (светимость) пб, сопоставимое с расчетным значением Стандарной модели 7.2±0.3 пб.

Рис.11.8. Диаграмма инвариантных масс лидирующего Z бозона (по вертикали) относительно следующего за лидирующим по массе – (а), распределение инвариантных масс пар ZZ – (б).

Рис.11.9. Сечения рождения пар пар ZZ в эксперименте ATLAS в сравнении с результатами измерений на Теватроне и эксперименте CMS.

Пределы на величины аномальных трех-бозонных вершин были расcчитаны на основе данных при 7 ТэВ [4]. Они показаны на рис.11.10. Даже при использовании очень ограниченной статистики полученные ограничения превышают по точности ограничения, полученные на LEP и Теватроне.

Рис.11.10. Допустимый с точностью 95% интервал параметров аномальных нейтральных трех-бозонных вершин nTGCs, установленный в экспериментах ATLAS, CMS, LEP и D0 [4].

Литература к разделу 11

Measurement of the WZ production cross section and limits on anomalous triple gauge couplings in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, Phys. Lett. B709 (2012) 341-357.
A Measurement of WZ Production in Proton-Proton Collisions at sqrt(s) = 8 TeV with the ATLAS Detector, ATLAS Collaboration, ATLAS-CONF-2013-021.
Measurement of the total ZZ production cross section in proton-proton collisions at sqrt(s) = 8 TeV in 20 fb⁻¹ with the ATLAS detector, ATLAS Collaboration, ATLAS-CONF-2013-020.
Measurement of ZZ production in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector and limits on anomalous ZZZ and ZZγcouplings, ATLAS Collaboration, JHEP03(2013)128