[論文レビュー] A precise measurement of the Z-boson double-differential transverse momentum and rapidity distributions in the full phase space of the decay leptons with the ATLAS experiment at $\sqrt s$ = 8 TeV

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2930 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 66被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて√s = 8 TeVのpp衝突データ20.2 fb⁻¹を用い、崩壊レプトンの全位相空間におけるZボソン生成の最初の正確な二重微分測定を提示する。コリンズ＝ソーパー座標系における角度分解を活用することで、正規化断面積において1%未満の精度を達成し、|y| < 2.0では0.5–1.0%、より高い急速度では2–7%の不確実性を示す。また、N4LLの部分的再結合とN3LO固定順計算出の組み合わせを含む最新のQCD予測と良好な一致を示している。

ABSTRACT

This paper presents for the first time a precise measurement of the production properties of the Z boson in the full phase space of the decay leptons. This is in contrast to the many previous precise unfolded measurements performed in the fiducial phase space of the decay leptons. The measurement is obtained from proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment in 2012 at $\sqrt s$ = 8 TeV at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 20.2 fb$^{-1}$. The results, based on a total of 15.3 million Z-boson decays to electron and muon pairs, extend and improve a previous measurement of the full set of angular coefficients describing Z-boson decay. The double-differential cross-section distributions in Z-boson transverse momentum p$_T$ and rapidity y are measured in the pole region, defined as 80 $&lt;$ m $&lt;$ 100 GeV, over the range $|y| &lt;$ 3.6. The total uncertainty of the normalised cross-section measurements in the peak region of the p$_T$ distribution is dominated by statistical uncertainties over the full range and increases as a function of rapidity from 0.5-1.0% for $|y| &lt;$ 2.0 to 2-7% at higher rapidities. The results for the rapidity-dependent transverse momentum distributions are compared to state-of-the-art QCD predictions, which combine in the best cases approximate N$^4$LL resummation with N$^3$LO fixed-order perturbative calculations. The differential rapidity distributions integrated over p$_T$ are even more precise, with accuracies from 0.2-0.3% for $|y| &lt;$ 2.0 to 0.4-0.9% at higher rapidities, and are compared to fixed-order QCD predictions using the most recent parton distribution functions. The agreement between data and predictions is quite good in most cases.

研究の動機と目的

• 崩壊レプトンの全位相空間におけるZボソン生成を、適合領域の制約を超えて測定すること。
• Zボソンの極みでの、横運動量(pT)と急速度(y)の関数としての二重微分断面積の精度を向上させること。
• 近似N4LL再結合とN3LO固定順計算出を組み合わせた最新のQCD予測を検証すること。
• 適合領域補正を回避し、理論的不確実性を低減するために、モデルに依存しない角度分解を活用すること。
• 高精度の微分分布を通じて、一部布関数(PDFs)の新たな制約を提供すること。

提案手法

• コリンズ＝ソーパー座標系におけるレプトン運動量の角度分解を、9つの球面調和多項式と角度係数(Ai)の積として行う。
• スピン1のZボソンとスピン1/2のレプトンに基づく、モデルに依存しない形式を用い、生成ダイナミクスと崩壊運動量の分離を実現する。
• 1530万件のZ → ℓℓ崩壊を用い、|y| < 3.6および80 < mℓℓ < 100 GeVの範囲で、二重微分断面積dσ/dpT dyを測定する。
• 観測されたレプトン分布から、非極化断面積σU+Lと角度係数Aiを抽出するために、尤度に基づくアンフォールディング手法を採用する。
• 全ATLASカバー範囲における検出器のキャリブレーションと再構成を実施し、中央部(eeCC, μμCC)および前方(eeCF)レプトンチャンネルを含む。
• 最新の一部布関数(PDFs)と近似N4LL + N3LO計算を用いて、QCD予測との整合性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 崩壊レプトンの全位相空間におけるZボソンの二重微分断面積（pTと急速度）は、どの程度の精度で測定可能か？
• RQ2 測定されたpTおよびy分布は、N4LL再結合とN3LO固定順計算出を組み合わせた最新のQCD予測とどの程度一致するか？
• RQ3 急速度が横運動量スペクトルに与える影響は何か？また、全位相空間測定は、レプトン選択カットによる適合領域測定とは対照的に、この依存関係をどのように明らかにするか？
• RQ4 角度係数Aiは、極化や崩壊に関する理論的不確実性に依存せずに、Zボソン生成メカニズムをどの程度制約できるか？
• RQ5 正規化断面積測定における主な不確実性要因は何か？また、急速度に応じてどのように変化するか？

主な発見

• 正規化断面積測定では、|y| < 2.0では合計不確実性が0.5–1.0%、より高い急速度では2–7%を示し、全範囲で統計的不確実性が支配的である。
• pTで積分した微分的急速度分布は、|y| < 2.0で0.2–0.3%の精度、より高い急速度では0.4–0.9%の精度に達し、PDFの制約に強く寄与する。
• 測定されたpTおよびy分布は、近似N4LL再結合とN3LO固定順計算出を組み合わせた最新のQCD予測と良好に一致している。
• 全位相空間測定により、Zボソンの横運動量スペクトルにおける急速度依存性が明らかになった。これは、レプトン選択カットによる適合領域測定では、この依存性が隠蔽されていた。
• 角度分解手法により、生成ダイナミクスと崩壊効果が効果的に分離され、QCD、QED、電弱補正への感度がZ極みで0.05%未満にまで低減された。
• 有効な角度係数Aiには、Z極みにおけるγ*干渉のわずかな寄与が含まれるが、形式は依然として強固でモデルに依存しない。