[論文レビュー] Cross-section measurements for the production of a $Z$ boson in association with high-transverse-momentum jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Aad, G., Abbott, B.+2894 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、LHCのATLAS実験で得られた139 fb⁻¹のデータを用いて、13 TeVの陽子-陽子衝突における高横運動量のジェットと関連するZボソン生成の精度の高い断面積測定を報告する。研究では、Zボソンと最も近いジェットの間の角度相関に注目し、共線的および背中合わせのトポロジーを区別し、次々に高次のQCD予測およびMadGraph5_aMC@NLO や Sherpa などの多レグNLOジェネレータと非常に良好な一致を示した。

ABSTRACT

Cross-section measurements for a $Z$ boson produced in association with high-transverse-momentum jets ($p_{\mathrm{T}} \geq 100$ GeV) and decaying into a charged-lepton pair ($e^+e^-,\mu^+\mu^-$) are presented. The measurements are performed using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV corresponding to an integrated luminosity of $139$ fb$^{-1}$ collected by the ATLAS experiment at the LHC. Measurements of angular correlations between the $Z$ boson and the closest jet are performed in events with at least one jet with $p_{\mathrm{T}} \geq 500$ GeV. Event topologies of particular interest are the collinear emission of a $Z$ boson in dijet events and a boosted $Z$ boson recoiling against a jet. Fiducial cross sections are compared with state-of-the-art theoretical predictions. The data are found to agree with next-to-next-to-leading-order predictions by NNLOjet and with the next-to-leading-order multi-leg generators MadGraph5_aMC@NLO and Sherpa.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における、高pTジェット（pT ≥ 100 GeV）と関連するZボソン生成の断面積および微分断面積を測定すること。
• 特にZボソンの放射が強調される共線領域において、QCDと電弱効果の相互作用を高エネルギーのジェットトポロジーで探ること。
• ソフト-共線放射と大きな対数補正が支配する困難な運動量領域における理論的予測の検証。
• 共線的放射（ΔRmin_Z,j ≤ 1.4）と背中合わせに反発する（ΔRmin_Z,j ≥ 2.0）構成という2つの主要なトポロジーを分離・特徴付けること。
• ヒッグスボソンの解析や新しい物理の探索において、Z+ジェット背景を正確にモデル化できる高精度のデータを提供すること。

提案手法

• Zボソン候補を、Zボソンの極（91.2 GeV）付近の不変質量を持つe⁺e⁻またはμ⁺μ⁻最終状態への崩壊により再構築する。
• R = 0.4のアンチ-kₜアルゴリズムを用いてジェットを定義し、包括的ジェット解析ではpT ≥ 100 GeV、高pTトポロジー選択ではpT ≥ 500 GeVを要件とする。
• 包括的領域におけるpT,j1、pT,ℓℓ、HTおよびジェット多重度の関数として微分断面積を測定する。
• 高pT領域を、Zボソンと最も近いジェットの間の角度距離に基づき、共線的（ΔRmin_Z,j ≤ 1.4）および背中合わせ（ΔRmin_Z,j ≥ 2.0）トポロジーに分割する。
• 主要な観測量を定義する：ΔRmin_Z,j、rZ,j = pT,ℓℓ / pT(最も近いジェット)、およびジェット多重度を用いてソフト放射とハード散乱のダイナミクスを調べる。
• データを、NNLOJETによる次々に高次のQCD（NNLO）予測およびMadGraph5_aMC@NLOおよびSherpaジェネレータによる次-leading order（NLO）理論予測と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Z+ジェット生成の微分断面積は、ジェットの横運動量、Zボソンの横運動量、および全横運動量のスカラー和に関してどのように変化するか？
• RQ2 Zボソンと最も近いジェットの間の角度相関は、ソフトグルーオン放射による共線的増強をどの程度反映しているか？
• RQ3 共線的および背中合わせのジェットトポロジーにおいて、NNLO QCDおよびNLO多レッグ行列要素ジェネレータ（MadGraph5_aMC@NLOおよびSherpa）の予測はデータをどの程度よく再現するか？
• RQ4 高pT領域において、Z+1ジェットとZ+2ジェット（ジジェット）構成の相対的寄与は何か？また、それらは角度分布にどのように影響するか？
• RQ5 共線領域において大きな対数補正が顕著になる中で、モンテカルロジェネレータに生じる不一致をデータは解消できるか？

主な発見

• pT,j ≥ 100 GeVの包括的領域におけるZ+ジェット生成の測定断面積は、NNLOJETによるNNLO予測と非常に良好に一致している。
• pT,j1、pT,ℓℓ、HTおよびジェット多重度の微分断面積は、MadGraph5_aMC@NLOおよびSherpa NLO予測の両方と一貫性を示している。
• pT,j ≥ 500 GeVの高pT領域において、共線的トポロジー（ΔRmin_Z,j ≤ 1.4）は、クォーク線からのソフトZボソン放射に起因する顕著な角度分布の増強を示している。
• rZ,jの比は共線領域で顕著に小さく、このトポロジーにおいてソフトZボソン放射が支配的であることを確認している。
• 背中合わせトポロジー（ΔRmin_Z,j ≥ 2.0）はZ+1ジェット事象に支配されており、ジェット多重度分布は最終状態に1つのジェットがあることと整合している。
• データは理論的予測からの顕著なずれを排除しており、高エネルギー・高多重ジェット領域における現在の最先端QCD計算の妥当性を裏付けている。