Misura della sezione d'urto di produzione Wgg in collisioni pp a 13 TeV e limiti agli accoppiamenti anomali quartici all'esperimento CMS

The importance of the study of the Wgg production in proton-proton collisions is manifold. The measurement of the production cross section constitutes a precision test of the Standard Model since it is sensitive to the self-interaction of electroweak bosons. This final state is also one of the possible background sources in the searches for new particles that can mediate multi-boson interactions and hence deserves to be studied in detail. Moreover, the process can be interpreted in the framework of the Effective Field Theories as it is sensitive to the presence of anomalous gauge couplings and can probe the presence of effects that are beyond the Standard Model. Being the Wgg production a rare process, a dataset with high integrated luminosity is needed. The limits on the anomalous quartic gauge couplings in the framework of the Effective Field Theories have been studied in many different multi-boson final states at CMS and ATLAS. The study of the Wgg final state has been performed both by the CMS and ATLAS collaborations at a centre of mass energy of 8 TeV with a dataset corresponding to an integrated luminosity of 19 fb-1. The limiting factor on the measurement of the process cross section in these two analyses was the low statistics. For this reason, this measurement is performed using data collected by the CMS experiment during the whole Run 2 of LHC at a centre of mass energy of 13 TeV, corresponding to approximately 137 fb-1. In this way, the uncertainty connected to the statistics can be substantially reduced and competitive limits on the values of the anomalous couplings are expected to be achievable. For this analysis, only the electron and muon final states of the W decay have been taken into account. The event selection has been studied and all the required corrections to the Monte Carlo simulations needed to improve their agreement with data have been applied. The main background contributions to the Wgg final state, which are the misidentification of jets as photons and the misidentification of electrons as photons, have been studied in detail by developing a data-driven approach. The data-driven approach gives a better prediction for these processes when compared to the Monte Carlo simulations. The contribution of the other, subleading, background sources has been evaluated with Monte Carlo simulations. The final measurement for the cross section has been performed by taking into account many possible systematic uncertainties on the object reconstruction, on the correction factors and on the methods implemented and used. The cross sections and the signal strengths have been evaluated in the fiducial phase space in the electron and muon decay channels of the W boson. The combination of the two has also been computed. The presence of anomalous gauge couplings can be tested by generating Monte Carlo events where contributions linked to beyond the Standard Model effects are taken into account. The comparison of these new simulations with the distributions obtained from data can probe the presence of anomalous couplings or set new limits on their strength. For this reason, dedicated simulation samples have been studied and events have been produced. The results that have been obtained show a great improvement if compared to previous Wgg analyses and are competitive with more recent results obtained by other multi-boson analyses both at CMS and ATLAS. None of the measurements suggests a deviation from the Standard Model prediction.

L'importanza dello studio della produzione di un bosone W in associazione a due fotoni in collisioni protone-protone è molteplice. La misura della sezione d'urto costituisce un test di precisione del modello standard essendo sensibile all'interazione reciproca dei bosoni elettrodeboli. Lo stato finale della collisione è anche uno dei possibili fondi nelle ricerche di nuove particelle che possono mediare l'interazione a più bosoni e merita quindi di essere studiato in dettaglio. Il processo può inoltre essere interpretato nell'ottica delle teorie di campo effettive dato che è sensibile alla presenza di accoppiamenti anomali quartici ed è in grado di verificare la presenza di effetti che vanno oltre il modello standard. Dato che la produzione Wgg è un processo raro, è necessario analizzare un campione di dati con elevata statistica. I limiti agli accoppiamenti anomali quartici nell'ambito delle teorie di campo effettive sono stati studiati dalle collaborazioni CMS e ATLAS sfruttando diversi stati finali con più di un bosone. Lo studio del processo Wgg è stato effettuato sia da CMS che da ATLAS con dati raccolti ad un'energia del centro di massa pari a 8 TeV corrispondenti ad una luminosità integrata di 19 fb-1. Il fattore limitante nella misura della sezione d'urto per queste due analisi è la limitata statistica. Per questo motivo, la misura descritta in questo lavoro è stata effettuata usando dati raccolti dall'esperimento CMS nel Run 2 di LHC ad un'energia del centro di massa pari a 13 TeV corrispondenti a 137 fb-1. In questo modo, le incertezze collegate alla statistica possono essere notevolmente ridotte. Per questa analisi, sono stati considerati solo gli stati finali con un elettrone o un muone risultante dal decadimento della W. La selezione degli eventi è stata studiata in dettaglio e sono state applicate tutte le necessarie correzioni alle simulazioni Monte Carlo in modo da migliorare il loro accordo con i dati. I fondi principali alla misura sono l'errata ricostruzione di un getto come un fotone e di un elettrone come un fotone. Questi due casi sono stati studiati in dettaglio tramite un approccio basato sull'utilizzo di dati in regioni di controllo. Il contributo degli altri fondi minoritari è stato valutato tramite le simulazioni Monte Carlo. Per la misura della sezione d'urto sono stati tenuti in considerazione gli effetti delle sistematiche legate alla ricostruzione degli oggetti, ai fattori di correzione e alle metodologie utilizzate. La sezione d'urto è stata misurata nello spazio delle fasi fiduciale per il decadimento del bosone W in un elettrone o in un muone; è stata inoltre calcolata la combinazione dei due risultati. La presenza degli accoppiamenti anomali quartici può essere testata generando eventi Monte Carlo che tengano in considerazione i contributi di effetti che vanno oltre il modello standard. Confrontando queste distribuzioni con quelle ottenute per i dati è possibile verificare la presenza degli accoppiamenti anomali o determinare nuovi limiti per la loro intensità. Un campione specifico di eventi simulati è stato prodotto precisamente a questo scopo. I risultati ottenuti mostrano un notevole miglioramento rispetto alle precedenti analisi del processo Wgg e sono paragonabili agli altri risultati ottenuti recentemente per processi a molti bosoni a CMS e ATLAS. Nessuna delle misure effettuate indica una deviazione dal comportamento previsto dal modello standard.