Misura della sezione d'urto di produzione Zγ nel canale Z → νν e limiti sugli accoppiamenti di gauge neutri tripli anomali in collisioni protone-protone a √s = 13 TeV con l'esperimento CMS a LHC

The study of multiboson production is a powerful and effective way to probe the electroweak sector of the Standard Model (SM). Multiboson processes are indeed sensitive to possible contributions beyond the SM (BSM) that would manifest themselves as deviations from the SM predictions, for example enhancing the event yield in specific kinematic regions. These new physics effects can be parameterized in terms of anomalous gauge couplings using the framework of Effective Field Theories (EFT), that has the great advantage of being model-independent, thus providing more exploratory power with respect to a specific BSM theory. Among all the multiboson processes that can be explored, the associated production of a photon and a Z boson decaying into two neutrinos is of particular interest. Given that the neutrinos cannot be directly detected in a general-purpose detector like CMS, the signature of the Z(→ νν)γ production consists in a single, isolated photon. The same monophoton signature is shared by several physics analysis that search for dark matter at the hadron colliders, where pairs of dark matter candidates mimic the presence of neutrinos, and where the SM Z(→ νν)γ processes therefore represent the most important background. A careful and precise measurement of the Z(→ νν)γ production becomes then compelling, for both its strong capability of testing the SM and for the contribution that it would provide to a wide range of fundamental physics searches. The Z(→ νν)γ cross section has been measured and searches for anomalous gauge couplings have been performed first by experiments operating at LEP and Tevatron, in electron-positron and proton-antiproton collisions respectively. The most recent results are those obtained at the LHC, by the CMS and ATLAS collaborations. The analysis has been carried out by the CMS experiment at a center of mass energy of 8 TeV, while the latest results from ATLAS exploit the data collected during 2016 (with a luminosity of 36.1 fb−1), at a center of mass energy of 13 TeV. The measurement of the Z(→ νν)γ cross section and the evaluation of the limits on the anomalous couplings that are presented in this work are performed using all the data collected by the CMS experiment during the whole Run 2 of LHC, at a centre of mass energy of 13 TeV and for a total luminosity of 137.6 fb−1. Multivariate techniques have also been implemented for identifying the signal photon and, in addition, photons detected in the forward region of the CMS detector are for the very first time taken into account when defining the phace space. The inclusion of forward photons is possible thanks to a new algorithm specifically developed for this analysis that allows to reject beam-halo events, the otherwise dominant and ineliminable background events when looking at monophoton signature in the forward region. A beam halo event occurs when the protons interact with residual gas molecules in the vacuum chamber or with the wall of the beam pipe, giving rise to a flow of secondary muons traveling along the beam line that can lead to electromagnetic showers similar to those produced by photons. The expected cross section is evaluated performing a maximum likelihood fit to the distribution of the transverse momentum of the photon, and the impact of the uncertainties is estimated. The expected limits on the anomalous triple neutral gauge couplings hZ3 and hZ4 are extracted by parameterizing the signal as a quadratic function of hZ3 and hZ4 . The expected results provide more stringent limits by one order of magnitudine with respect to the expected limits in the previous CMS analysis, and by a factor that varies between around 1.4 and 2 with respect to the expected limits in the 13 TeV ATLAS analysis.

Lo studio della produzione associata di due o più bosoni rappresenta un test potente ed efficace del settore elettrodebole del Modello Standard (MS). I processi di questo tipo sono infatti sensibili alla presenza di possibili contributi di nuova fisica, i quali possono essere misurati in termini di discrepanze rispetto alle predizioni del MS. Utilizzando una Teoria Effettiva di Campo (Effective Field Theory, EFT), tali effetti possono essere parametrizzati e studiati sotto forma di accoppiamenti di gauge anomali. Le EFT non dipendono da un modello teorico in particolare e, di conseguenza, nelle analisi di ricerca di nuova fisica hanno un potere esplorativo maggiore rispetto all’utilizzo di teorie oltre il MS specifiche. La produzione associata di un bosone Z e di un fotone, nel canale di decadimento Z→νν, riveste un ruolo di particolare importanza: lo stato finale di tale processo consiste infatti in un singolo fotone, in quanto la presenza di neutrini non può essere direttamente misurata in un rivelatore come CMS. Il medesimo stato finale è tuttavia condiviso da numerose altre analisi di ricerca di materia oscura in collisioni protone-protone in cui coppie di possibili particelle di materia oscura, non rilasciando alcun segnale nei rivelatori, potrebbero simulare la presenza di neutrini. In questo tipo di analisi i processi Z(→ νν)γ rappresentano la sorgente principale di eventi di fondo e una misura precisa della loro produzione si mostra perciò necessaria, non solo per la sua capacità di testare il MS, ma anche per il contributo fondamentale che fornirebbe nella ricerca di materia oscura. La sezione d’urto di produzione Z(→ νν)γ è stata misurata per la prima volta dagli esperimenti installati ai collisori LEP e Tevatron, utilizzando rispettivamente eventi elettrone-positrone e protone-antiprotone. I risultati più recenti sono invece stati ottenuti a LHC, dagli esperimenti CMS e ATLAS, in collisioni protone-protone ad un’energia del centro di massa di 8 TeV (per una luminosità integrata di boh.1 fb−1) e 13 TeV (per una luminosità integrata di 36.1 fb−1) rispettivamente. Per questo lavoro sono stati analizzati i dati raccolti dall’esperimento CMS durante l’intero Run 2 di LHC ad un’energia del centro di massa di 13 TeV, per una luminosità integrata di 137.6 fb-1. Tecniche multivariate sono state implementate per identificare il fotone di segnale e per la prima volta sono stati considerati nello spazio delle fasi d’interesse anche i fotoni rivelati nelle regioni in avanti del calorimetro elettromagnetico. La loro inclusione è stata possibile grazie a un nuovo algoritmo, specificatamente sviluppato per questa analisi, che permette la reiezione degli eventi di beam-halo, che altrimenti costituirebbero il fondo dominante, nonché ineliminabile, nelle regioni in avanti. Un evento di beam-halo si verifica quando un protone interagisce con le pareti dei tubi a vuoto o con le molecole residue di gas al loro interno, producendo un flusso di muoni che viaggiano parallelamente alla linea di fascio e che possono dare origine a sciami elettromagnetici simili a quelli prodotti dai fotoni. La sezione d’urto attesa è stata calcolata massimizzando la funzione di likelihood ottenuta a partire dalla distribuzione del momento trasverso del fotone, e l’impatto delle incertezze sulla misura è stato stimato. I limiti attesi sugli accoppiamenti di gauge anomali hZ3 e hZ4 sono stati estratti parametrizzando il segnale con una funzione quadratica in hZ3 e hZ4. I risultati attesi forniscono limiti più stringenti di un ordine di grandezza rispetto ai limiti attesi ottenuti dalla precedente analisi a 8 TeV fatta da CMS, e di un fattore che varia tra 1.4 e 2 rispetto ai limiti attesi ottenuti dall’analisi di ATLAS a 13 TeV.