[論文レビュー] First Measurement of the $\lowercase{ tbar}$ Differential Cross Section $\lowercase{dσ/d}M_{\lowercase{t\overline{t}}}$ in $\lowercase{\ppbar}$ Collisions at $\sqrt{\lowercase{s}}=1.96$ TeV

T. Aaltonen|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 60

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブのCDF実験で得られた2.7 fb$^{-1}$のデータを用いて、$√s = 1.96$ TeVの$p\bar{p}$衝突において、最初の微分的トップクォーク対生成断面積測定、$d\sigma/dM_{t\overline{t}}$を報告する。測定は、トップ反トップのインバリアント質量が0から1400 GeV/$c^2$の範囲をカバーし、350–400 GeV/$c^2$のビンで最高の精度を達成した。標準模型の予測から顕著なずれは認められず、高質量尾部におけるアンダーソン＝ダーリング検定のp値は0.28であった。

ABSTRACT

We present a measurement of the $ tbar$ differential cross section with respect to the $ tbar$ invariant mass, dSigma/dMttbar, in $\ppbar$ collisions at $\sqrt{s}=1.96$ TeV using an integrated luminosity of $2.7\invfb$ collected by the CDF II experiment. The $ tbar$ invariant mass spectrum is sensitive to a variety of exotic particles decaying into $ tbar$ pairs. The result is consistent with the standard model expectation, as modeled by exttt{PYTHIA} with exttt{CTEQ5L} parton distribution functions.

研究の動機と目的

• $p\bar{p}$衝突における$√s = 1.96$ TeVの下で、トップ反トップインバリアント質量$M_{t\overline{t}}$の関数として微分的トップクォーク対生成断面積を測定すること。
• 高質量尾部の$M_{t\overline{t}}$分布を分析することで、標準模型を超える物理現象の探査を行うこと。
• 全$M_{t\overline{t}}$ビンにわたり、ジェットエネルギースケール、PDF、バックグラウンド寄与などの系統的不確実性を定量化すること。
• アンドーソン＝ダーリング検定の感度を最適化し、新しい物理現象を検出できる最も感受性の高い$M_{t\overline{t}}$範囲を選択すること。
• 今後の理論的予測や新しい物理モデルとの比較のためのベンチマークデータセットを提供すること。

提案手法

• フェルミラブのテバトロンでCDF II検出器が収集した2.7 fb$^{-1}$の$p\bar{p}$衝突データを用いる。
• 1つのレプトン（電子またはミューオン）、大きな欠落運動量、および少なくとも4つのジェット（そのうち1つがbクォークジェットとして識別される）を含むイベントからトップクォーク対候補を再構築する。
• 再構築されたトップおよび反トップクォークの4元運動量からインバリアント質量$M_{t\overline{t}}$を計算し、系統的変動への感受性を低減するためにトップクォーク質量を175 GeV/$c^2$に固定する。
• ジェットエネルギースケール（JES）、初期状態および最終状態放射（ISR/FSR）、バックグラウンド寄与、受容率、部分子分布関数（PDF）の系統的不確実性を評価する。
• 標準模型との整合性をテストするためにアンドーソン＝ダーリング（AD）統計量を用い、最も感受性の高い$M_{t\overline{t}}$範囲を特定するためにモンテカルロ擬似実験を実施して最適化を行う。
• 観測されたAD統計量のp値は、SMモンテカルロ分布を用いた10,000回の擬似実験から計算され、その結果をデータと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 全$M_{t\overline{t}}$スペクトルにわたり、微分的$t\bar{t}$断面積$d\sigma/dM_{t\overline{t}}$が標準模型の予測から測定可能なずれを示すか？
• RQ2 アンドーソン＝ダーリング検定を用いて新しい物理現象を検出する際、最も感受性の高い$M_{t\overline{t}}$範团は何か？
• RQ3 特にPDFとジェットエネルギースケールが、異なる$M_{t\overline{t}}$ビンでどのように変化するか？
• RQ4 高質量尾部（$M_{t\overline{t}} \geq 450$ GeV/$c^2$）は、標準模型を超える新しい物理現象を制約するためにどの程度重要か？
• RQ5 測定された$d\sigma/dM_{t\overline{t}}$分布には、異常なトップクォーク結合や新しい共鳴状態の兆候が見られるか？

主な発見

• 測定された微分断面積$d\sigma/dM_{t\overline{t}}$は、350–400 GeV/$c^2$ビンでピークに達し、$62.3 \pm 7.0 \pm 7.9 \pm 3.7$ fb/GeV/$c^2$の値を示し、データセットで最高の統計的および系統的精度を達成した。
• 全インクリューシブ$t\bar{t}$断面積は、統計的不確実性とジェットエネルギースケール不確実性を合わせて$6.9 \pm 1.0$ pbとして測定された。
• PDF不確実性は高質量領域で支配的となり、800–1400 GeV/$c^2$ビンで18.8%に達するが、450–500 GeV/$c^2$ビンでは低く（1.0%）なる。
• アンドーソン＝ダーリング検定は、$M_{t\overline{t}} \geq 450$ GeV/$c^2$を新しい物理現象を検出する上で最も感受性の高い領域として特定した。観測データのp値は0.28であった。
• 観測されたp値0.28は、標準模型の予測から顕著なずれがないことを示し、データは28%信頼水準でSM予想と整合的である。
• 400–550 GeV/$c^2$範囲では、固定されたトップクォーク質量と低いPDF感受性のおかげで、高いバックグラウンド寄与にもかかわらず系統的不確実性が低減した。