[論文レビュー] Differential cross-sections for events with missing transverse momentum and jets measured with the ATLAS detector in 13 TeV proton-proton collisions

Georges Aad, Aakvaag, Erlend+2945 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いた13 TeV陽子-陽子衝突で得られた140 fb⁻¹のデータを用いて、初期状態の運動量の欠落（pTmiss）とジェットを伴う微分断面積の測定を初めて報告する。この測定は、検出器効果を補正するためのアンフォールディングを施している。結果は、二ジェットインvariant質量分布を除き、標準模型（SM）の予測と良好に一致している。断面積の比を用いることで、ダークマター模型を含む新しい物理現象への感受性が向上し、専用の探索と同等の制約が得られている。

ABSTRACT

Measurements of inclusive, differential cross-sections for the production of events with missing transverse momentum in association with jets in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV are presented. The measurements are made with the ATLAS detector using an integrated luminosity of 140 fb$^{−1}$ and include measurements of dijet distributions in a region in which vector-boson fusion processes are enhanced. They are unfolded to correct for detector resolution and efficiency within the fiducial acceptance, and are designed to allow robust comparisons with a wide range of theoretical predictions. A measurement of differential cross sections for the Z → νν process is made. The measurements are generally well-described by Standard Model predictions except for the dijet invariant mass distribution. Auxiliary measurements of the hadronic system recoiling against isolated leptons, and photons, are also made in the same phase space. Ratios between the measured distributions are then derived, to take advantage of cancellations in modelling effects and some of the major systematic uncertainties. These measurements are sensitive to new phenomena, and provide a mechanism to easily set constraints on phenomenological models. To illustrate the robustness of the approach, these ratios are compared with two common Dark Matter models, where the constraints derived from the measurement are comparable to those set by dedicated detector-level searches.[graphic not available: see fulltext]

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、運動量の欠落（pTmiss）とジェットを伴うイベントの微分断面積を、高い精度と最小限のモデル依存性で測定すること。
• 検出器効果をアンフォールディングし、物理的領域を定義することで、広範な理論的予測との堅牢な比較を可能にすること。
• 断面積の比を用いることで、モデル化の不確実性と系統的誤差を低減し、標準模型を超える物理現象（BSM）への感受性を向上させることの有効性を示すこと。
• 同じデータを用いて、繰り返し検出器レベルのシミュレーションを実行する必要なく、ダークマター模型に対する制約を設定すること。
• 最新のSM予測とベンチマークBSMモデルとの比較を通じて、この手法の妥当性を検証すること。

提案手法

• ATLAS Run 2データの140 fb⁻¹の積分流量を用いて、pTmiss + ジェットの包括的および微分的断面積を測定する。
• 物理的領域内での検出器のエネルギー分解能と効率の影響を補正するためのアンフォールディング手順を適用し、検出器効果を除去する。
• ベクトルボソン融合やZ→νν生成への感受性を高めるために、物理的領域を定義し、運動量のカットを適用して関連する最終状態を分離する。
• 同じ物理的領域内で、孤立したレプトンおよび光子と対になるハドロン的反動運動量（precoilT）の補助的測定を実施する。
• 断面積の比（例：pTmiss 対 precoilT）を計算し、共通する不確実性とモデル依存の系統的誤差を相殺する。
• 測定された比を理論的予測とBSMモデル（簡略化されたダークマター模型およびスカラーパラメータを持つ2重ヒッグスダブルレット模型）と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 pTmiss + ジェットの測定された微分断面積は、さまざまな運動量観測量において、標準模型（SM）の予測とどの程度一致しているか？
• RQ2 二ジェットインvariant質量分布は、SMの期待値からどの程度ずれているか？ これは新しい物理現象に何を示唆するか？
• RQ3 pTmissとprecoilTの測定における断面積比は、系統的誤差を低減し、BSM物理現象への感受性を向上させることができるか？
• RQ4 これらの比は、専用の検出器レベルの探索と比較して、ダークマター模型に対する制約をどの程度効果的に得られるか？
• RQ5 スカラーパラメータを介したダークマター結合を持つ2重ヒッグスダブルレット模型のような複雑なBSMシナリオに対しても、この測定手法はどの程度頑健か？

主な発見

• pTmiss + ジェットの微分断面積は、二ジェットインvariant質量分布を除き、標準模型（SM）の予測と良好に一致している。
• Z→νν生成の測定は、他のSM過程からのバックグラウンド寄与をアンフォールディングの前に入力として差し引いた後に行われ、非可視Z幅の高精度な決定が得られた。
• pTmissとprecoilTの観測量間の断面積比は、検出器関連の不確実性とモデル化の不確実性が強く相殺され、新しい物理現象への感受性が向上している。
• 同一データセットを用いて、簡略化されたダークマター模型に対する制約は、ATLASおよびCMSが実施した専用の探索と同等の強度である。
• 追加の検出器シミュレーションを要しないまま、追加のヒッグスダブルレットとスカラーパラメータによるダークマター結合を含むより複雑なモデルに対しても、同じ測定手法により競争力のある限界が得られた。
• アンフォールディング手順により、検出器のエネルギー分解能と効率の影響が適切に補正され、物理的領域内での理論との信頼性の高い比較が可能になった。