WW production cross section measurement in the CMS experiment

Abstract

RESUMEN: El objetivo de este trabajo es medir con la máxima precisión posible la sección eficaz de producción de un par de bosones W en colisiones protón-protón a una energía de centro de masas de √s = 13 TeV. Para ello, se han utilizado datos recogidos por el experimento Compact Muon Soleniod (CMS) y una luminosidad total de L = 36.3 fb−1. Esta medida es una prueba directa de las predicciones del modelo estándar para la interacción electrodébil, además de ser útil para el estudio del bosón de Higgs decayendo a dos bosones W. Para ello, se han estudiado eventos en los que cada bosón W decae a un leptón y a un neutrino, por lo que se espera encontrar dos leptones y energía transversa faltante en el estado final. En concreto, solo se han considerado los eventos con dos leptones de distinto sabor, electrones o muones, y de carga contraria. El análisis se ha realizado seleccionando eventos con 0, 1 y 2 jets de manera independiente y se ha basado en encontrar una región lo más pura posible en procesos de la señal que se quiere estudiar, utilizando para ello el poder discriminatorio de ciertas variables cinemáticas. Una vez definida esta región, se ha procedido a realizar una primera medida de la sección eficaz de producción. Con el objetivo de mejorar la precisión de la medida, se ha procedido a medir dicha sección eficaz a partir del ajuste a ciertas distribuciones de las variables estudiadas. Por último, en el caso particular de los eventos con 2 jets, se ha necesitado buscar un método de mejora de esta medida, para lo cual se han utilizado técnicas de aprendizaje automático, en concreto un conjunto de árboles de decisión (BDT) capaces de mejorar la selección de eventos. Específicamente, el algoritmo utilizado ha sido entrenado para diferenciar entre fondo y señal. Los resultados obtenidos para los procesos con 0 y 1 jet son coherentes con las predicciones del modelo estándar para todas las estrategias utilizadas. En el caso de los eventos donde se requerían 2 jet, los resultados más precisos han sido los obtenidos al aplicar el BDT, siendo compatibles con el modelo estándar.

ABSTRACT: The aim of this work is to measure with the highest possible precision the production cross section of two opposite charged W bosons in proton-proton collisions at a center of mass energy of √ s = 13 TeV, by using data collected by the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment corresponding to a total luminosity of L = 36.3 fb−1. This measurement is a direct test of the predictions of the Standard Model (SM) in electroweak interaction, as well as being an important process in the study of Higgs boson decaying to two W bosons. In this work, it is considered that each of the W bosons decays to a lepton and a neutrino, so it is expected to find two leptons with different charge (electrons or muons) and missing transverse energy in the final signature. In particular, only events with different-flavored leptons have been considered. The analysis has been performed independently for processes with 0, 1 and 2 jets and it has been based on searching for a region which magnifies the signal over the backgrounds by using the discriminating power of certain kinematic variables. Once that region was defined, a first measurement of the production cross section was obtained. Then, a binned likelihood fit has been performed to certain variables, providing another measurement of the cross section. Finally, in the events with 2 jets, it was necessary to search for a method that improved the result. Techniques of machine learning able to improve the selection of events have been used for this purpose, obtaining another different cross section measurement. Specifically, the algorithm used has been a set of decision trees (BDT) trained to differentiate signal from background. In the processes in which 0 and 1 jets were required, the measured cross section values for each of the different strategies used are all in agreement with the SM predictions. In the 2-jet requirement, the most precise value of the cross section came from using a BDT, providing a measurement compatible with the SM.