Study of Z polarization in leptonic decays of Z bosons produced in 13TeV p-p collisions
Creators: name: Σαμαρά, Δήμητρα Σταύρου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Μποζόνιο Ζ
Παραγωγή δύο μποζονίων
Πόλωση μποζονίων
Z Boson
Diboson production
Boson polarization

description: This study investigates the polarization of Z bosons produced in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. Using the MadGraph simulation framework, both longitudinally, transversely polarized, as well as unpolarized Z bosons were produced and analyzed, focusing on their leptonic decay channels into electron-positron or muon-antimuon pairs. The analysis was performed for both single Z boson events and double Z boson (ZZ) events. For each known pure polarization state, the angular distribution of the negative lepton in the Z boson rest frame was fit to the resulting histograms, using functions motivated by the theoretical calculations, to extract the relevant angular distribution parameters. A C++/ROOT program was developed to determine the longitudinal and transverse polarization percentages of the Z bosons produced in unpolarized events. The program was tested on test-distributions with known polarization fractions, and it was shown to reliably determine the correct percentages. In the case of double Z events, all polarization combinations (LL, TT, LT, TL, and unpolarized) were investigated using the same angular distribution. The polarization fractions were evaluated in event samples of varying sizes, ranging from 10,000 to 1 million events. Additionally, the angular distribution of the Z boson in the ZZ frame was examined and found to be a more sensitive polarization variable. Cuts on the transverse momentum and pseudorapidity of the leptons were applied to study the impact of a more realistic event selection on the polarization fractions. These results highlight the sensitivity of one-dimensional angular distributions to Z boson polarization and provide a useful framework for polarization studies in future experimental analyses.
description: Η παρούσα εργασία διερευνά την πόλωση των μποζονίων Ζ που παράγονται σε συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου με ενέργεια κέντρου μάζας 13 TeV. Χρησιμοποιώντας το πρόγραμμα προσομοίωσης MadGraph, παράχθηκαν και αναλύθηκαν γεγονότα με μποζόνια Ζ, τα οποία ήταν είτε μη πολωμένα, είτε μόνο εγκάρσια ή μόνο διαμήκη πολωμένα, και τα οποία διασπώνται σε ζεύγη ηλεκτρονίου-ποζιτρονίου ή μιονίου-αντιμιονίου. Η ανάλυση πραγματοποιήθηκε τόσο για γεγονότα με ένα μόνο μποζόνιο Ζ όσο και για γεγονότα διπλής παραγωγής μποζονίων Ζ (ZZ). Για κάθε δείγμα γεγονότων με γνωστή κατάσταση πόλωσης, οι συναρτήσεις γωνιακής κατανομής του αρνητικού λεπτονίου στο σύστημα ηρεμίας του μποζονίου Ζ, οι οποίες είναι θεωρητικά γνωστές, προσαρμόστηκαν στα προκύπτοντα ιστογράμματα ώστε να εξαχθούν οι σχετικές παράμετροι γωνιακής κατανομής. Αναπτύχθηκε ένα πρόγραμμα σε γλώσσα C++/ROOT για τον προσδιορισμό των ποσοστών των μποζονίων Ζ με εγκάρσια και διαμήκη πόλωση σε γεγονότα με μη-πολωμένα Ζ. Το πρόγραμμα ελέγχθηκε σε δείγματα με γνωστά ποσοστά πόλωσης και αποδείχθηκε ότι προσδιορίζει με αξιοπιστία τα σωστά ποσοστά. Στην περίπτωση γεγονότων με δύο Ζ, εξετάστηκαν όλοι οι συνδυασμοί πόλωσης (LL, TT, LT, TL, και μη πολωμένα) χρησιμοποιώντας την ίδια γωνιακή μεταβλητή. Τα ποσοστά πόλωσης αξιολογήθηκαν σε δείγματα γεγονότων διαφόρων μεγεθών, αποτελούμενα από 10.000 έως 1 εκατομμύριο γεγονότα. Επιπλέον, εξετάστηκε η γωνιακή κατανομή του μποζονίου Ζ στο σύστημα του ZZ, και βρέθηκε να έχει μεγαλύτερη ευαισθησία στα ποσοστά πόλωσης. Έπειτα, εφαρμόστηκαν κριτήρια επιλογής στην εγκάρσια ορμή και στην ψευδωκύτητα των λεπτονίων για τη μελέτη της επίδρασης μιας πιο ρεαλιστικής επιλογής γεγονότων στα ποσοστά πόλωσης. Τα αποτελέσματα αυτά αναδεικνύουν την ευαισθησία των μονοδιάστατων γωνιακών κατανομών στην πόλωση των μποζονίων Ζ και προσφέρουν ένα χρήσιμο πλαίσιο για μελλοντικές πειραματικές αναλύσεις πόλωσης.