[論文レビュー] Inclusive and differential cross section measurements of $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} extrm{b}\overline{ extrm{b}} $ production in the lepton+jets channel at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2370 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 94被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、138 fb⁻¹のCMSデータを用いて、√s = 13 TeVにおけるトップクォーク対およびボトムクォーク対生成（ttbb）の、最も高精度な包含的および正規化された微分断面積測定を提示する。検出器レベルの分布を最尤アンフォールディングにより粒子レベルの分布に再構築することで、多数の理論的予測が包含的断面積を低く予測していることが判明した。唯一の特定の動的反重力スケール選択（µR = ½ ∏i=t,t,b,b m₁/₄T,i）でのみ測定値と整合性を示し、すべての微分分布を同時に記述できる生成器は存在しなかった。

ABSTRACT

Measurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs, ttbb, are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the ttbb process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale, $\mu_\mathrm{R}=\frac{1}{2} \prod_{i=\mathrm{t, \bar{t}, b, \bar{b}}} m_{\mathrm{T},i}^{1/4}$, where $m_{\mathrm{T},i}^2=m_i^2+p^2_{\mathrm{T},i}$ are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける、レプトン＋ジェット最終状態でのttbb生成の包含的および正規化された微分断面積を測定すること。
• 複数のフィデューシャル位相空間領域において、最先端のNLO QCD＋パートンシャワーイベント生成器とデータの整合性を検証すること。
• トップ＝イェーグ・およびヒッグス＝トップ測定における主要なバックグラウンドであるttbbの理論的予測の信頼性を評価すること。
• 非可視なボトムクォーク質量効果を伴う多ボトムクォーク最終状態におけるQCDダイナミクスの理解を深めること。
• 高精度なデータを用いて生成器設定を制約することで、ttbbモデル化の不確実性を低減すること。

提案手法

• 2016–2018年にかけてCMS検出器が取得したデータ、対応する統合した全流量は138 fb⁻¹である。
• 正確に1つの分離した電子またはミュオンと、少なくとも5つのジェットを有するイベントの選別を行い、トップクォーク対のレプトン＋ジェット崩壊モードを標的にする。
• 4つのフィデューシャル位相空間領域の定義：ttbb（完全に分解）、ttb（3つのbジェット）、ttbj（追加のジェット）、ttbbj（分解されたbbペアを有する追加のジェット）。
• 検出器レベルのデータから粒子レベルの微分分布を再構築するために、最尤アンフォールディングを適用する。
• 複数のイベント生成器と、さまざまな反重力スケールおよび因子化スケール選択の下での予測と、アンフォールドされた分布を比較する。
• 精度を向上させるために、高度なジェット再構築（anti-kTアルゴリズム）、DEEPJETを用いたbタギング、および積層効果低減技術を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 測定されたttbb生成の包含的および微分断面積は、NLO QCD＋パートンシャワー予測とどのように比較されるか？
• RQ2 複数のフィデューシャル領域にわたって、データを最もよく記述する生成器設定と反重力スケール選択は何か？
• RQ3 現在の理論的モデルは、ttbbイベントの運動量分布をどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 ボトムクォーク質量効果とQCD放射の影響は、ttbb最終状態のモデル化にどのような影響を及えるか？
• RQ5 データは生成器間の不一致を解消し、トップ物理学およびヒッグス物理学におけるttbbバックグラウンドの好ましいモデル化手法を特定できるか？

主な発見

• フィデューシャル位相空間における包含的断面積は、これまでで最も高い精度で測定され、多数の理論的予測を上回った。
• 測定された包含的断面積と整合性を示すのは、唯一の特定の動的反重力スケール選択（µR = ½ ∏i=t,t,b,b m₁/₄T,i）でのみであった。
• 微分断面積は理論的予測とさまざまな程度の整合性を示し、すべての測定分布を同時に記述できる生成器は存在しなかった。
• 標準的なスケール選択を用いた場合、測定された包含的断面積は予測値を系統的に上回っており、QCD補正のモデル化の改善が求められていることを示唆している。
• データは、特に追加のQCD放射を伴う領域（ttbjおよびttbbj）において、現在のイベント生成器設定との間に顕著な不一致を露呈しており、現在のモデル化の限界を強調している。
• 結果はttbb生成器のパラメータ空間を制約し、ttHおよびtttt物理学測定における不確実性低減のための重要な入力となる。