Исследование парного рождения Z-бозонов в распадах на четыре лептона в протон-протонных соударениях на Большом Адронном Коллайдере в эксперименте CMS тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.23, кандидат наук Савин, Александр Анатольевич

• Савин, Александр Анатольевич
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Савин, Александр Анатольевич

Оглавление

Введение

1. Рождение дибозонных конечных состояний в соударениях частиц на коллайдерах

1.1 Рождение дибозонных состояний в рамках Стандартной модели

1.2 Рождение дибозонный конечных состояний в рамках Стандартной модели в условиях существования бозона Хиггса

1.3 Исследования дибозонного рождения за рамками Стандартной модели

1.4 Экспериментальные результаты к моменту начала работы БАК

1.5 Постановка задачи для данного исследования

2. Описание БАК и эксперимента СМ8

2.1 Большой Адронный Коллайдер

2.2 Компактный Мюонный Соленоид (СМБ)

2.2.1 Основные элементы эксперимента СМ8

2.2.2 Особенности триггерной системы эксперимента СМ8

2.2.3 Системы контроля качества работы триггерных систем

3. Экспериментальные данные и результаты моделирования

3.1 Обзор экспериментальных данных, набранных экспериментом СМБ в 2010 - 2016 годах

3.2 Особенности моделирования данных, калибровки и сравнение с экспериментом

3.3 Теоретические предсказания с фиксированным КХД порядком

4. Идентификация тау-лептонов в эксперименте СМ8

4.1 Постановка задачи, особенности восстановления сигнала

4.2 Алгоритм поиска и идентификации тау-лептонов

4.3 Измерение параметров алгоритма, эффективности регистрации сигнала и возможности к подавлению фоновых событий

5. Исследование рождения Z-бозонов в их распадах на тау-лептоны

5.1 Метод восстановления сигнала и оценка фоновых событий

5.2 Измерение сечения рождения Z бозонов

6. Методика отбора и обработки событий с четырьмя лептонами в конечном состоянии

6.1 Выбор триггера

6.2 Критерии отбора лептонов и их комбинация

6.3 Оценка числа фоновых событий

6.4 Оценка систематических погрешностей

7. Методика измерения сечений и объединения информации из нескольких измерений

8. Исследование четырехлептонных конечных состояний

8.1 Диапазон измеряемых инвариантных масс конечных состояний с четырьмя лептонами

8.2 Исследование рождения Z-бозонов в канале распада на 4 лептона

8.3 Исследование нерезонансного рождения пар Z-бозонов в их лептонных распадах

8.3.1 Измерение полного сечения

8.3.2 Измерение дифференциальных сечений

8.4. Использование дибозонных конечных состояний в поиске бозона Хиггса и других возможных квантовых состояний

8.4.1 Открытие бозона Хиггса в распадах на 4 лептона

8.4.2 Исследование возможного сигнала при больших массах

9. Поиск аномальных нейтральных трехбозонных вершин, не включенных в Стандартную модель

10. Положения выносимые на защиту

Заключение

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование парного рождения Z-бозонов в распадах на четыре лептона в протон-протонных соударениях на Большом Адронном Коллайдере в эксперименте CMS»

Введение

Актуальность темы

Рождение дибозонных состояний в соударениях элементарных частиц является важным источником информации для проверки предсказаний Стандартной модели. Рождение пар Z бозонов при энергиях близких к порогу их рождения, ~180 ГэВ, было впервые зафиксировано в электрон-позитронных соударениях на ускорителе LEP [1] [2] [3] [4] [5]. Всего было набрано несколько десятков событий (в эксперименте OPAL около 100) в разных каналах распада, в основном с распадом Z бозонов на кварки с рождением струй в конечном состоянии. При этом, всего лишь несколько событий было зарегистрировано в конечном состоянии с распадом на четыре лептона, в канале, который позволяет с очень высокой точностью восстановить кинематические характеристики распада и практически не содержит фоновых событий.

В протон-(анти)протонных соударениях, где регистрация событий со струями затруднена из-за большого числа фоновых событий, в экспериментах на Tevatron (энергия в протон-антипротонной системе центра масс , с.ц.м., ~2 ТэВ), к моменту запуска Большого Адронного Коллайдера (БАК), было зарегистрировано всего лишь несколько событий с рождением пары Z-бозонов [6] [7].

Так как сечение рождения бозонных пар растет с энергией, уже в первых данных с БАК (протон-протонная с.ц.м 7 - 13 ТэВ) число ZZ событий должно было быть сравнимо с числом зарегистрированных событий на Тevatron. С увеличением светимости это число должно было многократно увеличиться, и позволить провести измерение

полного и дифференциальных сечений рождения ЪЪ с точностью недоступной в предыдущих экспериментах.

Исследование рождения пар Ъ-бозонов при больших энергиях в электро-слабых взаимодействиях должно было так же проверить предположение об отсутствии или наличии механизмов связи между нейтральными калибровочными бозонами; вершин типа ЪЪЪ и ЪЪу. Подобные вершины запрещены в Стандартной модели и поэтому их исследование является очень важной частью работы по проверке предсказаний Стандартной модели.

Наконец, одной из самых важных задач БАК, была попытка обнаружения бозона Хиггса. Частицы, предсказанной более 50 лет назад, которая должна была объяснить нарушение электро-слабой симметрии и механизм образования масс у частиц. Ожидаемый распад бозона Хиггса на два Ъ бозона с последующим распадом на лептоны, Н®ЪЪ®41, имеет небольшую величину сечения помноженного на вероятность распада по сравнению с другими возможными каналами распада, однако наличие четырех изолированных лептонов в конечном состоянии позволяет практически полностью подавить фоновые события. Отсутствие потерь энергии позволяет очень точно восстановить инвариантную массу начальной системы и кинематические характеристики распада. По этой причине Н®ЪЪ®41 получил название "золотого канала распада". Данный канал мог быть использован для поиска бозона Хиггса во всем кинематически возможном диапазоне его масс, в отличии от многих других каналов, возможности которых для обнаружения нового бозона сильно зависели от его массы. Это было очень важно, так как масса бозона Хиггса теоретически не была предсказана.

Цель работы

Целью данной работы был поиск протон-протонных событий с рождением пары Ъ-бозонов с последующим их распадом на пары лептонов. Так как количество ожидаемых событий при начальных светимостях было ограничено, было предложено включить в число изучаемых распадов, распад Ъ-бозонов на два тау-лептона. Данная работа включала в себя разработку системы контроля качества триггерных систем, которая использовалась при запуске эксперимента СМБ; разработку алгоритма для регистрации тау лептонов в адронных распадах и проверку его возможностей для регистрации одиночных Ъ бозонов в их тау распадах; разработку методики оценки фоновых событий и алгоритма восстановления событий с участием четырех лептонов различных типов и измерение свойств данных событий, включая массовый спектр и кинематические характеристики. Задачей работы было измерение полного и дифференциального сечений рождения четырехлептоных событий, проверка предсказаний Стандартной модели и моделей, предсказывающих возможные эффекты за пределами Стандартной модели, поиск бозона Хиггса и новых квантовых состояний.

Новые научные результаты и положения, представленные в диссертации

1. Создана система контроля качества калориметрического триггера первого уровня и триггеров высокого уровня, которая использовалась при запуске эксперимента СМБ и работает в настоящее время.

2. Разработан алгоритм для идентификации тау-лептонов в эксперименте СМБ с эффективностью регистрации адронных распадов тау лептонов более 50%, при существенном подавлении струй, ошибочно идентифицированных как тау лептоны.

3. Измерено сечение рождения Ъ-бозонов в распадах на тау-лептоны.

4. Впервые в протон-протонных соударениях измерено сечение рождения Ъ-бозонов в распаде на четыре лептона, посчитана вероятность распада.

5. Измерено сечение рождения ЪЪ пар в распадах с участием мюонов, электронов и тау-лептонов. Сечение рождения ЪЪ пар было так же измерено для трех значений энергии протон-протонных соударений, с точностью во много раз превосходившую существовавшие на тот момент измерения. Проведено измерение дифференциальных сечений.

6. Обнаружен новый бозон с массой 125 ГэВ и проведен поиск нового бозона при больших массах.

7. Значительно улучшена величина предела на вероятность существования аномальных нейтральных вершин типа ЪЪЪ и ЪЪу.

Научная новизна

За исключением измерения распада Ъ-бозона на два тау-лептона, все остальные измерения были проведены впервые или с точностью, значительно превышающую предыдущие измерения.

Практическая ценность работы

Проведенные измерения играют существенную роль в проверке предсказаний Стандартной модели.

Разработанная экспериментальная методика широко используется в различных измерениях в эксперименте СМБ, в том числе при диагностике работы триггерных систем, для восстановления и идентификации тау лептонов в их адронных распадах, оценке числа фоновых событий в процессах с наличием лептонов в конечных состояниях.

Апробация работы

Данные, представленные в данной работе были впервые представлены на конференции 1СНЕР в 2011 и с тех пор, по мере увеличения статистики и энергии соударений были ежегодно представлены на всех международных конференциях по физике высоких энергий членами коллаборации СМБ; аспирантами и научными сотрудниками, работавшими под руководством автора данной диссертации, в том числе автором диссертации лично на:

Hadron Collider Physics Symposium, Paris, France, 2011 ; Physics in Collisions, Strebske Pieso, Slovakia, 2012 ; ECFA Linear Collider Workshop, Hamburg, Germany, 2013 ; 3rd International Conference on New Frontiers in Physics, Kolymbari, Greece, 2014, QCD@LHC2016, Zuerich, Switherland, 2016. Докладах и семинарах в ЦЕРН, Женева, Швейцария; НИИ ЯФ МГУ, Москва, РФ; Университете Гента, Гент, Бельгия.

Результаты представленные для защиты данной диссертации были опубликованы в 18 статьях: [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] в журналах из списка Scorpus, WoS, RSCI.

Разработанный тау алгоритм применялся практически во всех публикациях СМS коллаборации, где использовались адронные распады тау лептонов, в том числе и для поиска бозона Хиггса в распаде на тау лептоны. Исследование рождения бозона Хиггса в конечном состоянии с двумя электронами или мюонами и двумя тау лептонами в данной работе привел к возникновению нового направления измерений в СМ5, связанного с ассоциированным рождением бозона Хиггса: Z(®ll)H(®n).

Личный вклад автора

Автор принимал непосредственное участие в

1. запуске триггерной системы эксперимента СМБ (в том числе в 2009-2011 в качестве руководителя триггерной группы в эксперименте СМБ, отвечающей за качество работы триггерных систем) ;

2. разработке и создании алгоритма для идентификации тау-лептонов в эксперименте СМБ (в том числе в 2011-2013 как руководитель группы, отвечающей за разработку алгоритма идентификации тау-лептонов, и обеспечение набора данных и их обработку в событиях с участием тау-лептонов в СМБ) ;

3. измерении сечения рождения Ъ-бозонов в распадах на тау-лептоны ;

4. первом измерении сечения рождения Ъ-бозонов в распаде на четыре лептона (руководитель группы аспирантов);

5. измерении сечения рождения ЪЪ пар в распадах с участием мюонов, электронов и тау-лептонов при различных энергиях протон-протонных соударений (в том числе в 2014 -2015 как руководитель группы, отвечающей за проведение всех физических исследований в рамках Стандартной модели в коллаборации СМБ) ;

6. обнаружении бозона Хиггса в распаде на пару Ъ-бозонов, с последующим их распадом на четыре лептона (руководитель группы аспирантов);

7. поисках Стандартного бозона при больших массах (в том числе, как руководитель проекта по измерению порога рождения возможного нового бозона при больших массах).

Структура работы

Диссертация состоит из введения, десяти глав и заключения. В первой главе дается обзор теоретических предсказаний и экспериментальных данных существовавших в 2010 году на момент начала данных измерений. Формируется задача данного исследования.

Во второй главе описываются параметры Большого Адронного Коллайдера и основных элементов эксперимента СМБ, в том числе триггерной системы эксперимента и системы контроля качества работы триггера.

В третьей главе дается краткое описание экспериментальных данных и результатов моделирования, используемых в данной работе.

Четвертая глава посвящена идентификации тау-лептонов в их адронных распадах, описываются детали алгоритма для поиска тау-лептонов и результаты его испытаний.

В пятой главе описывается измерение сечения рождения Ъ-бозонов в их распадах на два тау-лептона.

В шестой главе описываются основные принципы и требования для

отбора ЪЪ событий, обсуждаются параметры восстановленных в

эксперименте лептонов, методы оценки числа фоновых событий и

оценки систематических погрешностей измерений.

В седьмой главе объясняется методика измерения сечений и порогов

на сечение рождения.

Восьмая глава содержит четыре раздела.

В первом описываются общие характеристики четырехлептонных состояний.

Во втором обсуждается измерение характеристик редкого распада Ъ-бозона на четыре лептона.

Третий посвящен измерению сечения нерезонансного рождения пар Ъ-бозонов в их распадах на пары лептонов.

Четвертый посвящен обнаружению бозона Хиггса с массой 125.6 ГэВ и обсуждаются результаты по поиску нового бозона в различных диапазонах масс.

В девятой главе приводятся экспериментальные результаты по поиску аномальных нейтральных трехбозонных вершин типа ЪЪЪ и ЪЪу.

В десятой главе сформулированы основные результаты диссертации и выводы.

1. Рождение дибозонных конечных состояний в соударениях частиц на коллайдерах

1.1 Рождение дибозонных состояний в рамках Стандартной модели.

Рождение пар тяжелых векторных бозонов в соударениях адронов представляет важный источник информации для проверки предсказаний Стандартной модели электро-слабых взаимодействий [26] [27] [28].

В рамках Стандартной модели рождение пары Ъ-бозонов в протон-антипротонных соударениях происходит в основном за счет кварк-антикварковой аннигиляции, диаграмма которой представлена на Рис.1.1.1 слева. В диапазоне энергий БАК около 90% событий нерезонансного рождения пар Ъ-бозонов происходит с участием данного процесса. Сечение рождения пар Ъ-бозонов во взаимодействиях глюонов, через так называемую кварковую петлю (Рис. 1.1.1 правый), увеличивается с энергией и может отличаться в 2 раза между энергиями протонных соударений 7 и 13 ТэВ в системе центра масс. Вклад таких событий изменяется от 5-6% при 7 ТэВ до 10% и возможно более при 13 ТэВ.

Полные сечения рождения различных конечных состояний в протон-протонных соударениях в зависимости от энергии соударений в системе центра масс показаны на Рис. 1.1.2.

Рис.1.1.1 Диаграммы, описывающие рождение пары Ъ-бозонов в результате взаимодействия пары кварк-антикварк (левый рисунок) или пары глюонов (правый рисунок).

л/б [ТеУ]

Рис.1.1.2 Сечение рождения конечных состояний с различными комбинациями векторных бозонов в протон-протонных соударениях [29].

Из рисунка видно, что сечение рождения пар Ъ-бозонов на пять порядков меньше, чем сечение рождения одиночных Ъ-бозонов. Наиболее современное теоретическое описание процессов рождения пар Ъ-бозонов может быть найдено в работах [30] [31] [32]. Кроме указанных выше, в рамках Стандартной модели существуют другие процессы приводящие к возникновению пар векторных бозонов, такие, как например, рассеяние векторных бозонов. В этом случае каждый из начальных кварков испускает "/Ъ-бозон, два бозона взаимодействуют с образованием пары Ъ-бозонов и таким образом в конечном состоянии вместе с парой бозонов должны так же наблюдаться две струи частиц, образовавшиеся в результате адронизации кварков. Диаграмма такого процесса показана на Рис.1.1.3.

Струи должны в большой степени сохранить кинематические характеристики кварков, инициировавших этот процесс и поэтому должны иметь существенную разницу по угловым характеристикам (псевдобыстротам) и высокую инвариантную массу системы струя-струя. Сечения таких процессов более чем на два порядка меньше, чем сечения рождения дибозонных пар, обсуждаемых выше, и они не рассматривается в данной работе. Тем не менее, исследование таких процессов является очень важной частью научной программы на БАК.

Другим интересным процессом рождения дибозонных пар являются процессы с участием бозона Хиггса.

Рис.1.1.3 Диаграмма рождения пар бозонов в процессе их рассеяния. Такие события должны характеризоваться наличием двух струй с большой инвариантной массой (сотни ГэВ) системы струя-струя.

1.2 Рождение дибозонный конечных состояний в рамках Стандартной модели в условиях существования бозона Хиггса.

Стандартная модель позволяет не только хорошо описывать существующие результаты измерений, но и обладает очень высокой предсказательной способностью. Например, существование W и Ъ бозонов было предсказано за 20 лет до их открытия. Тем не менее, модель построена на ряде феноменологических параметров, которые ею не определяются и должны быть измерены.

Одной из наиболее известных проблем в Стандартной модели является наличие у частиц масс, которые должны нарушать симметрии в данной модели. Существование безмассового фотона, как переносчика электромагнитных взаимодействий и открытие массивных векторных бозонов с массами 80-90 ГэВ, участвующих в слабых взаимодействиях, так же подтвердило необходимость включения в лагранжиан Стандартной модели механизма возникновения масс.

Элегантное решение данной проблемы было предложено еще в середине 60-х годов [33] [34] [35], когда авторы предложили дополнить лагранжиан скалярным полем. Возникающее спонтанное нарушение симметрии приводит к появлению масс и позволяет не только объяснить существование безмассового фотона и массивных векторных бозонов, но и предсказать соотношения их масс и взаимодействия между ними. Достаточно полные математические выкладки, объясняющие этот механизм, получивший название механизма Хиггса, на простых примерах можно найти в [36], где так же приводятся описания ряда моделей, которые широко используются в настоящее время в физике высоких энергий.

Переносчиком поля является скалярный бозон, получивший название бозона Хиггса, и характеристики которого так же предсказываются в рамках Стандартной модели, правда за исключением его массы. Бозон Хиггса должен рождаться, например, в процессах слияния глюонов, как показано на Рис.1.2.1 (верхний рисунок). Или в результате рассеяния бозонов, на том же рисунке внизу. Хиггс бозон должен распадаться на различные состояния, вероятности которых так же предсказываются Стандартной моделью. Одним из распадов является распад на два Ъ-бозона, однако в отличии от нерезонансного распада, описанного ранее, в данном случае должен наблюдаться очень узкий резонанс с массой равной массе бозона Хиггса.

Вероятности распада бозона Хиггса на различные конечные состояния помноженные на его сечение рождения показаны на Рис.1.2.2 для диапазона возможных масс бозона 90-250 ГэВ. Как видно из рисунка с увеличением массы доминирующими модами распада становятся распады на дибозонные состояния. В то время как при малых массах другие распады, как например распад на два тау-лептона так же играют существенную роль. Распад на два Ъ-бозона с последующим распадом на четыре лептона имеет вероятность распада меньшую, чем другие каналы, но наличие четырех изолированных лептонов делает этот канал практически свободным от фоновых событий, а отсутствие потерь энергии позволяет очень точно восстановить массу распавшегося бозона.

ё

Ь,1Н

g

Рис.1.2.1 Диаграммы, описывающие рождение пары Ъ-бозонов в результате рождения бозона Хиггса во взаимодействия пары глюонов ( верхний рисунок) или пары кварков (нижний рисунок).

100

150

200 250

Мн [ОэУ]

Рис. 1.2.2 Вероятности распада бозона Хиггса на различные конечные состояния, умноженные на величину сечения его рождения, в зависимости от массы бозона, при энергии протон-протонных соударений 8 ТэВ (рисунок взят из документации, подготовленной рабочей группой по измерению сечения рождения Хиггс бозона [37]).

1.3 Исследования дибозонного рождения за рамками Стандартной модели

Как уже было сказано выше, Стандартная модель базировалась на ряде феноменологических параметров и работает с высокой точность в области энергий, сравнимых с массами векторных бозонов. Одновременно существует большое количество моделей, основанных на предположениях существования новых процессов и механизмов рождения частиц при энергиях в диапазоне более 1 ТэВ. В настоящий момент экспериментальная статистика не позволяет проводить измерения в этом диапазоне, но он должен быть достигнут в течении нескольких следующих лет, когда БАК будет работать с высокой светимостью с энергией в системе центра масс 13 ТэВ. Тем не менее ряд предположений о существовании новых физических процессов при больших энергиях может быть проверен с помощью, так называемой, техники эффективного Лагранжиана. Создание такого Лагранжиана приводит к тому, что существование физических процессов при больших энергиях связывается с нарушением предсказаний Стандартной модели при малых энергиях. Эти нарушения должны быть особенно заметны для процессов, которые запрещены в рамках Стандартной модели. Проверка данной теории может быть проведена при использовании существующих экспериментальных данных и определенных кинематических распределений в выбранных физических процессах. Одним из предсказаний Стандартной модели, является отсутствие связи между нейтральными векторными бозонами в трехчастичной вершине, показанной на Рис. 1.3.1

Рис.1.3.1 Диаграмма, описывающая рождение пары Ъ-бозонов в результате распада промежуточного нейтрального векторного бозона, так называемая аномальная нейтральная трехбозонная вершина.

На рисунке 1.3.1 показан процесс запрещенный в рамках Стандартной модели. Техника создания эффективного Лагранжиана, включающего вершины типа ЪЪЪ и ЪЪу описана, например, в работе [38]. Лагранжиан, описывающий существование аномальных нейтральных трехбозонных вершин ЪЪУ, где У=(Ъ, у), является функцией двух параметров Г4У (нарушающим СР симметрию) и Г5У (сохраняющим СР симметрию). Наличие таких вершин должно привести к увеличению сечения рождения пар Ъ-бозонов, в том числе и при малых энергиях. Таким образом поиск таких отклонений от предсказаний Стандартной модели и измерение верхних пределов вероятностей существования таких аномальных вершин, является

важной частью проверки самой Стандартной модели и возможности существования новых физических процессов при больших энергиях. Поэтому поиск аномальных трех и четырехбозонных вершин является частью любого дибозонного анализа, проводимого в рамках Стандартной модели.

1.4 Экспериментальные результаты к моменту начала работы БАК

Начать рассмотрение экспериментальных результатов по рождению пар Z-бозонов наиболее логично с данных полученных в е+е-соударениях на ускорителе LEP в ЦЕРНе.

Ускоритель работал с 1989 по 2000 гг. при разных энергиях. Наиболее интересными представляются данные, набранные в 1999-2000 гг. при энергиях 190 и 209 ГэВ в системе центра масс, так как эти энергии превышают порог рождения двух Z-бозонов. Всего четырем экспериментам: OPAL, ALEPH, L3 и DELPHI были доставлены данные, соответствующие светимости в 400 обратных пикобарн. OPAL зафиксировал около 100 событий с двумя Z-бозонами [1], в различных модах распада: l+l~l+l~ , l+l~w , qql+l~, qqw, qqqq. Подавляющее число событий приходится на события с зарегистрированными струями, qqqq и qqXX. При этом в лептонные моды распада входили и распады на тау-лептоны, однако, так как тау-лептоны являются нестабильными частицами и распадаются на адроны или лептоны, регистрировались только лишь их конечные лептонные состояния. Таким образом канал l+l~l+l~, исследование которого и является целью данной работы, содержал в этом эксперименте только электроны и мюоны в конечном состоянии, при том, что эти лептоны могли рождаться как при непосредственном распаде Z-бозонов, так и при распаде бозонов на тау лептоны, с их последующим распадом на электроны или мюоны. Число зафиксированных и ожидаемых событий, а также число фоновых событий приведены в Таб.1.4.1

Sclcction ttobs "SM nzz ПЬаск ^chan Bzz Lint (Pb"1)

а t+trt-f 4 3.55 ±0.29 2.46 ± 0.09 1.08 ±0.27 0.56 ± 0.02 0.010 433.6

Ъ c+e~i/l/ 2 3.71 ± 0.35 2.43 ± 0.31 1.28 ±0.15 0.41 ± 0.05 0.013 435.2

с H+H~vV 0 4.30 ±0.39 2.39 ± 0.33 1.91 ±0.21 0.41 ± 0.06 0.013 435.2

d qqc+e~ & bbc+e~ 14 11.6 ±0.4 9.6 ±0.3 1.98 ±0.23 0.62 ± 0.03 0.037 424.7

е qqc+e~ & bbe+e- 3 2.49 ±0.19 2.20 ±0.18 0.30 ± 0.07 0.51 ±0.05 0.010 424.7

f qq//" í¿ bb 15 12.9 ±0.4 12.1 ±0.4 0.83 ±0.12 0.77 ± 0.03 0.037 424.7

6 qq/i~ц~ í¿ bb/í~/i~ 7 2.59 ±0.15 2.43 ±0.14 0.16 ±0.06 0.56 ± 0.05 0.010 424.7

h qqr'i— fc bbr+r- 4 5.35 ±0.41 4.63 ± 0.39 0.72 ±0.12 0.30 ± 0.03 0.037 424.7

i qqr'1— fc bbr+r- 0 1.41 ±0.19 1.19 ±0.18 0.21 ± 0.06 0.28 ± 0.04 0.010 424.7

j bbr~r- & qqr+r- 1 0.35 ±0.10 0.29 ±0.10 0.07 ±0.03 0.07 ± 0.02 0.010 424.7

k qqi/P &¿ bbvü 51 56.4 ±2.8 30.3 ±2.5 26.1 ±1.2 0.33 ± 0.03 0.219 422.1

1 qqi>v &¿ bbi/¡7 9 8.45 ± 0.74 7.23 ± 0.71 1.22 ±0.22 0.28 ± 0.03 0.061 422.1

m qqqq & qqbb 185 180.5 ±13.5 50.2 ±3.1 130.3 ±13.1 0.39 ± 0.03 0.300 432.3

n qqbb & qqqq 24 21.9 ±1.4 13.7 ±0.8 8.14 ±1.14 0.17 ±0.01 0.189 432.3

o qqbb & qqqq 21 21.4 ±1.2 16.1 ±0.9 5.30 ± 0.74 0.20 ± 0.02 0.189 432.3

Таблица 1.4.1 Число зафиксированных и ожидаемых событий в эксперименте OPAL [1].

Всего эксперимент зарегистрировал четыре 1+1~1+1~ события при ожидаемом количестве 2.5 сигнальных и 1.1 фоновом событии. Для измерения сечения рождения пар Ъ-бозонов все каналы распадов были скомбинированы вместе с помощью метода максимального правдоподобия с построением для каждого канала величины

Де = + ГСЬаск-

которая описывает ожидаемое число событий для каждого канала и сечение измеряется с помощью функции правдоподобия состоящей из распределения Пуассона и распределений Гаусса, описывающих погрешности измерения.

Окончательные результаты представлены на Рис.1.4.1 (верхний). На рисунке представлено полное сечение рождения ЪЪ пар в соударениях электронов и позитронов, в зависимости от энергии соударений в системе центра масс. Линией представлены результаты теоретических предсказаний, который хорошо описывают измеренные сечения и их энергетическую зависимость.

ár 1

N

cj*

0.5 0

-0.5

OPAL

-1

(а) 95% C.L.

• ^^^^ * Fit Min.

i • SM 1 1

-1 -0.5 0

0.5

f^ZZZ

Рис. 1.4.1. (верхний) Сечение рождения пар Z-бозонов измеренное при разных энергиях е+е- соударений в эксперименте OPAL с использованием всех возможных каналов распада, в сравнении с предсказаниями Стандартной модели. (нижний) Контур описывающий предел на существование аномальных трехбозонных вершин типа ZZZ и ZZg для доверительного интервала в 95% [1].

Одновременно был измерен предел на существование аномальных трехбозонных вершин. Пределы измерялись с использованием измеренных сечений и, для ряда каналов распада, с помощью метода оптимальной наблюдаемой величины с использованием 4-импульсов всех 4 фермионов из распадов Z бозонов.

Данные пределов приведены в Таб.1.4.2 и представлены графически на Рис.1.4.1 (нижний) в качестве двумерного контура, звездочкой обозначена величина наиболее вероятного значения пределов, измеренных в данных, в то время как значение (0:0) в центре рисунка соответствует предсказаниям Стандартной модели. При измерениях, величины связи для не измеряемых вершин приравнивались нулю. Результаты L3 эксперимента представлены в [2]. Поиск дибозонных пар проводился в похожих каналах распада, как и в эксперименте OPAL, при этом отмечено, что тау-лептоны регистрировались как в лептонных, так и адронных распадах. В последнем случае использовались струи с малым числом заряженных частиц. Из статьи не следует, что адронные распады тау-лептонов использовались и в l+l~l+l~ распадах, очевидно, адронные распады тау-лептонов использовались только в событиях со струями. Всего было зафиксировано три l+l~l+l~ события, при ожидаемом сигнале 1.3 события и 1 фоновом событии. Сечение рождения представлено на Рис.1.4.2 (верхний) для полного сечения и сечения для каналов со струями инициированными b-кварками.

Рис.1.4.2 Сечение рождения пар Z-бозонов измеренное в эксперименте L3 (верхний рисунок) и ALEPH (нижний рисунок) измеренные в комбинации всех возможных каналов распада.

В эксперименте ALEPH события типа 1+1~1+1~ были составной частью событий типа 1+1~ХХ , где под ХХ понимались лептоны или кварки [5] . Всего таких событий было найдено 34 при ожидаемых 37. Были измерены так же пороги на существование нейтральных трехбозонных вершин. Результаты измерений представлены на правом Рис.1.4.2 (нижний) и в Таб.1.4.2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Савин, Александр Анатольевич, 2018 год

Список литературы

[1] OPAL Collaboration, "Study of Z pair production and anomalous couplings in e+e-collisions at sqrt(s) between 190 and 200 GeV," Eur.Phys.JC, vol. 32, p. 303, 2003.

[2] L3 Collaboration, "Study of Z Bosons Pair Production in e+e- Interactions at sqrt(s)=192-202 GeV," Phys. Lett. B, vol. 497, p. 23, 2001.

[3] DELPHI Collaboration, "ZZ production in e+e- interactions at sqrt(s)=183-209 GeV," Eur.Phys.J, vol. 30, p. 447, 2003.

[4] DELPHI Collaboration, "Study of Triple-Gauge-Boson Couplings ZZZ, ZZgamma and Zgammagamma at LEP," Eur. Phys. J C, vol. 51, p. 525, 2007.

[5] ALEPH Collaboration, "Measurement of Z-pair production in e+e- collisions and constraints on anomalous neutral gauge couplings," J.High Energy Phys., vol. 04, p. 124, 2009.

[6] CDF Collaboration, "First Measurement of ZZ Production in ppbar Collisions at sqrt(s)=1.96 TeV," Phys.Rev.Lett., vol. 100, p. 201801, 2008.

[7] D0 Collaboration, "Observation of ZZ Production in ppbar Collisions at sqrt(s)=1.96 TeV," Phys.Rev.Lett., vol. 101, p. 171803, 2008.

[8] CMS Collaboration, "Performance of the CMS Level-1 trigger during comissioning with cosmic ray muons and LHC beams," JINST, vol. 5, p. T03002, 2010.

[9] CMS Collaboration, "Commisioning of the CMS High-Level Trigger with Cosmic Rays," JINST, vol. 5, p. T03005, 2010.

[10] CMS Collaboration, "Performance of tau-lepton reconstruction and identification in CMS," JINST, vol. 7, p. P0101, 2012.

[11] CMS Collaboration, "Reconstruction and identification of tau lepton decays to hadrons and nu_tau at CMS," JINST, vol. 11, p. P01019, 2016.

[12] CMS Collaboration, "Measurement of the Z inclusive cross section via decays to tau pairs in oo collisions at sqrt(s)=7 TeV," JHEP, vol. 08, p. 117, 2011.

[13] CMS Collaboration, "Observation of Z decays to four leptons with the CMS detector at the LHC," JHEP, vol. 12, p. 034, 2012.

[14] CMS Collaboration, "Measurement of the W+W- and ZZ production cross sections in pp collisions at sqrt(s)=8 TeV," Phys.Lett. B, vol. 721, p. 190, 2013.

[15] CMS Collaboration, "Measurement of the ZZ production cross section and search for anomalous couplings in 2l2l' final states in the pp collisions at sqrt(s)=7 TeV," JHEP, vol. 01, p. 063, 2013.

[16] CMS Collaboration, "Measurement of the pp->ZZ production cross section and constraints on anomalous triple gauge couplings in four-lepton final states at sqrt(s)=8 TeV," Phys.Lett.B, vol. 740, p. 250, 2015.

[17] CMS Collaboration, "Search for the Standard Model Higgs Boson in the H->ZZ->l+l-tau+tau- decay channel in pp Collisions at sqrt(s)=7 TeV," JHEP, vol. 03, p. 081, 2012.

[18] CMS Collaboration, "Measurement of the ZZ production cross section and Z->l+l-l'+l'- branching fraction in pp collisions at sqrt(s)=13 TeV," Phys. Lett. B, vol. 763, p. 280, 2016.

[19] CMS Collaboration, "Search for Standard Model Higgs Boson in the decay channel H->ZZ->4l in pp Collisions at sqrt(s)=7 TeV," Phys.Rev.Lett., vol. 108, p. 111804, 2012.

[20] CMS Collaboration, "Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC," Phys.Lett.B, vol. 716, p. 30, 2012.

[21] CMS Collaboration, "A New Boson with a Mass of 125 GeV Observed with CMS Experiment at the Large Hadron Collider," Science, vol. 338, p. 1569, 2012.

[22] CMS Collaboration, "Measurement of the properties Higgs boson in the four-lepton final state," Phys.Rev.D, vol. 89, p. 092007, 2014.

[23] CMS Collaboration, "Search for a standard-model-like Higgs boson with a mass in the range 145 to 1000 GeV at the LHC," Eur. Phys. J. C, vol. 73, p. 2469, 2013.

[24] CMS Collaboration, "Search of a Higgs boson in the mass range from 145 to 1000 GeV decaying to a pair of W or Z bosons," JHEP, vol. 10, p. 144, 2015.

[25] CMS Collaboration, "Measurements of the pp->ZZ production cross section and the Z->4l branching fraction, and constraints on anomalous triple gauge couplings at sqrt(s)=13 TeV," Eur.Phys.J. C, vol. 78, p. 165, 2018.

[26] S. Weinberg, "A Model of Leptons," Phys.Rev.Lett., vol. 19, p. 1264, 1967.

[27] A. Salam, "Weak and Electromagnetic Interactions," In.Proc.8th.Nobel Symp.Stokholm, p. 367, 1968.

[28] S. Glasgow , J. Illiopoulos and L. Maiani , "Weak Interactions with Lepton-Hadron Symmetry," Phys.Rev.D, vol. 2, p. 1285, 1970.

[29] J. Campbell, R. Ellis and C. Wiliams, "Vector boson pair production at the LHC," JHEP, vol. 07, p. 018, 2011.

[30] J. Campbell and R. Ellis, "MCFM for the Tevatron and the LHC," Nucl.Phys.Proc.Suppl., vol. 205, p. 10, 2010.

[31] Cascioli, F. et al., "ZZ production at hadron colliders in NNLO QCD," Phys.Lett. B, vol. 735, p. 311, 2014.

[32] Caola, F. et al., "QCD correstions to ZZ production in gluon fusion at the LHC," Phys.Rev. D, vol. 92, p. 094028, 2015.

[33] P. W. Higgs, "Broken symmetries and the masses of gauge bosons," Phys.Rev.Lett., vol. 13, p. 508, 1964.

[34] F. Englert and R. Brout, "Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons," Phys.Rev.Lett., vol. 13, p. 321, 1963.

[35] G. Guralnik, C. Hagen and T. Kibble, "Global conservation laws and massless particles," Phys.Rev.Lett., vol. 13, p. 585, 1964.

[36] S. Dawson, "Introduction to electroweak symmetry breaking," arXiv:hep-ph/9901280, 1999.

[37] LHC Higgs Cross Section Working Group, [Online]. Available: https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/LHCPhysics/LHCHXWGCrossSectionFigures.

[38] Larios, F. et al., "Trilinear neutral gauge boson couplings in effective theories," Phys.Rev.D, vol. 63, p. 113014, 2001.

[39] CDF Collaboration, "Measurement of ZZ production in leptonic final states at sqrt(s)=1.96 TeV at CDF," Phys.Rev.Lett., vol. 108, p. 101801, 2012.

[40] D0 Collaboration, "Measurement of the ZZ production cross section in ppbar collisions at sqrt(s)=1.96 TeV," Phys.Rev.D, vol. 84, p. 011103, 2011.

[41] CDF,D0 Collaborations,Tevatron New Phenomena, Higgs Working Group, 2011.

[42] Bruenning, O.S. et al., "LHC Design Report. V.1-3," CERN-2004-003, 2004.

[43] CMS Collaboration, "The CMS experiment at the CERN LHC," JINST, vol. 3, p. S08004, 2008.

[44] CMS Collaboration, "Public lumi results," [Online]. Available: twiki. cern.ch/twiki/bin/view/ CMSPublic/LumiPublicResults.

[45] Alioli, S. et al., "NLO vector-boson production matched with shower in POWHEG," JHEP, vol. 07, p. 060, 2008.

[46] P. Nason, "A new method for combining NLO QCD with shower Monte Carlo algorithms," JHEP, vol. 11, p. 040, 2004.

[47] S. Frixione, P. Nason and C. Oleari, "Matching NLO QCD computations with parton shower simulations: the POWHEG method," JHEP, vol. 11, p. 070, 2007.

[48] Gleisberg, T. et al., "Event generation with SHERPA 1.1," JHEP, vol. 02, p. 007, 2009.

[49] T. Binoth, N. Kauer and P. Mertsch, "Gluon-induced QCD corrections to pp->ZZ->lll'l' ," arXIv:hep-ph/0807.0024, 2008.

[50] Gao, Y. et al., "Spin determination of single-produced resonances at hadron colliders," Phys.Rev. D, vol. 81, p. 075022, 2010.

[51] Bolognesi, S. et al., "On the spin and parity of a single-produced resonance at the LHC," Phys.Rev. D, vol. 86, p. 095031, 2012.

[52] Anderson, L. et.al., "Constraining anomalous HVV interactions at proton and lepton colliders," Phys.Rev.D, vol. 89, p. 035007, 2014.

[53] S. Catani and M. Grazzini, "An NNLO subtraction formalism in hadron collisions and its application to Higgs boson production at the LHC," Phys.Rev.Lett., vol. 98, p. 222002, 2007.

[54] M. Grazzini, "NNLO predictions for the Higgs boson signal in the H->WW->lulu and H->ZZ->4l decay channels," JHEP, vol. 02, p. 043, 2008.

[55] M. Grazzini and H. Sargsyan, "Heavy-quark mass effects in Higgs boson produciton at the LHC," JHEP, vol. 09, p. 129, 2013.

[56] G. Passarino, "Higgs Interference Effects in gg->ZZ and their Uncertainty," JHEP, vol. 08, p. 146, 2012.

[57] S. Goria, G. Passarino and D. Rosco, "The Higgs-boson lineshape," Nucl.Phys.B, vol. 864, p. 530, 2012.

[58] N. Kauer and G. Passarino, "Inadequacy of zero-width approximation for a light Higgs boson signal," JHEP, vol. 08, p. 116, 2012.

[59] Alwall, J. et al., "MadGraph 5: going beyond," JHEP, vol. 06, p. 128, 2011.

[60] Alwall, J. et al., "The automated computation of tree-level and next-to-leading order differential cross sections, and their matching to parton level shower simulations," JHEP, vol. 07, p. 079, 2014.

[61] S. Jadach and Z. Was, "The tau decay library TAUOLA: Version 2.4," Comput.Phys.Commun., vol. 76, p. 361, 1993.

[62] Lai, H.-L. et al., "New parton distributions for collider physics," Phys.Rev.D, vol. 82, p. 074024, 2010.

[63] Lai, H.-L. et al., "Uncertainty induced by QCD coupling in the CTEQ global analysis of parton distributions," Phys.Rev.D, vol. 82, p. 054021, 2010.

[64] NNPDF Collaboration, "Parton distributions for the LHC Run II," JHEP, vol. 04, p. 040, 2015.

[65] T. Sjoestrand, S. Mrenna and P. Skands, "PYTHIA 6.4 physics and manual," JHEP, vol. 05, p. 026, 2006.

[66] Sjoestrand, T. et al., "An Introduction to PYTHA 8.2," Comput.Phys.Commun., vol. 191, p. 159, 2015.

[67] Alioli, S. et al., "A General Framework for Implementing NLO Calculations in Shower Monte Carlo Programs: the POWHEG BOX," JHEP, vol. 06, p. 043, 2010.

[68] GEANT4 Collaboration, "GEANT4 - a simulation toolkit," Mucl.Instrum.Meth. A, vol. 506, p. 250, 2003.

[69] CMS Collaboration, "Measurement of the Inclusive W and Z Production Cross Sections in pp Collisions at sqrt(s) = 7 TeV," JHEP, vol. 10, p. 132, 2011.

[70] Olive, K.A. et al., "(Particle Data Group) Particle Data Group Review," Chin.Phys.C, vol. 38, p. 09001, 2014.

[71] CDF Collaboration, "Measurement of sigma(pp->Z)*Br(Z->2tau) in ppbar collisions at sart(s) = 1.96 TeV," Phys. Rev. D, vol. 75, p. 292, 2009.

[72] D0 Collaboration, "Measurement of sigma(pp->Z)*Br(Z->2tau) in pp collisions at sqrt(s)=1.96 TeV," Phys. Lett. B, vol. 670, p. 292, 2009.

[73] CMS Collaboration, "Particle-Flow Event Reconstruction in CMS and Performance for Jets, Taus and ETMISS," CMS Physics Analysis Summary, 2009.

[74] CMS Collaboration, "Commissioning of the Particle-flow Event Reconstruction with the first LHC collisions recorded in the CMS detector," CMS Physics Analysis Summary, 2010.

[75] M. Cacciari, G. Salam and G. Soyez, "The anti-kt jet clustering algorithm," JHEP, vol. 04, p. 063, 2008.

[76] CMS Collaboration, "Performance of CMS muon reconstructions in pp collision events at sqrt(s)=7 TeV," JINST, vol. 7, p. P10002, 2012.

[77] CMS Collaboration, "Performance of electrons reconstruction and selection with the CMS detector in proton-proton collisions at sqrt(s) = 8 TeV," JINST, vol. 10, p. P06005, 2015.

[78] M. Cacciari and G. Salam, "Pileup subtraction using jet areas," Phys.Lett.B, vol. 659, p. 119, 2008.

[79] CMS Collaboration, "Electron Performance Plots," CMS Detector Performance, 2013.

[80] ALEPH Collaboration, "Charged particle pair production associated with a lepton pair in Z decays:Indication of an excess in the taus channel," Phys.Lett.B, vol. 263, p. 112, 1991.

[81] OPAL Collaboration, "A Test of higher order electroweak theory in Z0 decays to two leptons with an associated pair of charged particles," Phys.Lett. B, vol. 287, p. 389, 1992.

[82] DELPHI Collaboration, "Search for Z0 decays to two leptons and a charge particle-anti-particle pair," Nucl.Phys.B, vol. 403, p. 3, 1993.

[83] L3 Collaboration, "A Study of four-fermion processes at LEP," Phys.Lett.B, vol. 321, p. 283, 1994.

[84] R.Gavin, Y.Li, F.Petriello, S.Quackenbuch, "FEWZ 2.0: a code for hadronic Z production st next-to-next-to leading order," Comput. Phys. Commun., vol. 182, p. 2388, 2011.

[85] ATLAS Collaboration, "Study of the four fermion final state at the Z resonance," Z.Phys.C, vol. 66, p. 3, 2005.

[86] ATLAS Collaboration, "Measurement of ZZ production in pp collisions at sqrt(s) = 7 TeV and limist on anomalous ZZ and ZZgamma couplings with the ATLAS detector," JHEP, vol. 03, p. 128, 2013.

[87] ATLAS Collaboration, "Measurement of four-lepton production in pp collisions ar sqrt(s) = 8 TeV with the ATLAS detector," Phys.Lett. B, vol. 753, p. 552, 2016.

[88] ATLAS Collaboration, "Measurement of the ZZ Production Cross Section in pp Collisions at sqrt(s) = 13 TeV with the ATLAS detector," Phys.Rev.Lett., vol. 116, p. 101801, 2015.

[89] ATLAS Collabortion, "ZZ->llll cross-section measurement and search for anomalous triple gauge couplings at 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector," Phys.Rev.D, vol. 97, p. 032005, 2018.

[90] G. Agostini, "Improved iterative Bayesian unfolding," arXiv:1010.0632, 2010.

[91] ATLAS and CMS Collaborations, "Procedure for the LHC Higgs boson search combination in Summer 2011," 2011. [Online]. Available: https://cds.cern.ch/record/1379837.

[92] S. Choi, S. Jung and P. Ko, "Implications of LHC data on 125 GeV Higgs-like boson for the Standard Model and its various extentions," JHEP, vol. 1310, p. 225, 2013.

[93] Carvalho, A. et al., "Higgs pair production: choosing benchmarks with cluster analysis," JHEP, vol. 04, p. 126, 2106.

[94] Heinemeyer, S. et al., "Handbook of LHC Higgs cross sections: 3. Higgs properties," arXiv:1307.1347, 2013.

[95] G. Passarino, C. Sturm and S. Ucciarati, "Higgs pseudo-observables, second Riemann sheet and all that," Nucl.Phys. B, vol. 834, p. 77, 2010.

[96] CDF Collaboration, "ZZ cross section measurement in lll'l' and llnunu final states using the full CDF dataset," CDF Note 10957, 2013.

[97] DO Collaboration, "Measurement of the ZZ production cross section and search for the standard model Higgs in the four lepton final state in pbarp collisions," Phys.Rev. D, vol. 88, p. 032008, 2013.