[論文レビュー] Measurement of cross-sections for production of a $Z$ boson in association with a flavor-inclusive or doubly $b$-tagged large-radius jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、36 fb⁻¹のATLASデータを用いて、13 TeVの陽子-陽子衝突における大半径ジェットと関連するZボソン生成の初回測定を報告し、フレーバー包含型および二重b-taggedの両相空間を対象としている。ジェット質量、横運動量、b-tagged部分ジェット間の角度的分離に関する微分断面積を測定し、追加のハドロン的活性のモンテカルロモデル化に関する不一致を明らかにするとともに、b-tagged領域におけるフレーバー数スキームの違いが顕著であることを示している。

ABSTRACT

We present measurements of cross-sections for production of a leptonically decaying $Z$ boson in association with a large-radius jet in $13~$TeV proton-proton collisions at the LHC, using $36~\mathrm{fb}^{-1}$ of data from the ATLAS detector. Integrated and differential cross-sections are measured at particle-level in both a flavor-inclusive and a doubly $b$-tagged fiducial phase-space. The large-radius jet mass and transverse momentum, its kinematic relationship to the $Z$ boson, and the angular separation of $b$-tagged small-radius track-jets within the large-radius jet are measured. This measurement constitutes an important test of perturbative quantum chromodynamics in kinematic and flavor configurations relevant to several Higgs boson and beyond-Standard-Model physics analyses. The results highlight issues with modeling of additional hadronic activity in the flavor-inclusive selection, and a distinction between flavor-number schemes in the $b$-tagged phase-space.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるZボソンが大半径ジェットと関連して生成する積分的および微分的断面積を測定すること。
• 特にグルーオン分裂によるbクォーク対生成を伴う状況において、ブーストされた運動量領域における摂動的QCDを調べること。
• 高pTジェットにおける追加のハドロン的活性およびフレーバー依存のダイナミクスのモデル化におけるモンテカルロイベントジェネレータの性能を評価すること。
• ブーストドジェット技術を用いたヒッグスボソンおよび新しい物理の解析のためのベンチマークを提供すること。
• 特に小角度分離領域において、フレーバー数スキームがb-taggedジェットモデル化に与える影響を調査すること。

提案手法

• ATLAS検出器内で、反-kTアルゴリズムを用いて再構築された粒子から大半径ジェット（R = 1.0）を再構築する。
• Zボソン（電子・ミューオン崩壊）に対して特徴的相空間のカットを適用し、ΔR(Z, jet) > 0.8 を満たす。大半径ジェットに対しても、pT > 200 GeV、|η| < 2.5 の条件を課す。
• 大半径ジェット内に存在する小半径（R = 0.2）の部分ジェットに対して、トラックベースのアルゴリズムを用いてb-taggingを実施し、bクォーク寄与を特定する。
• 大半径ジェット質量、横運動量、およびb-tagged部分ジェット間の角度的分離ΔR(b1, b2)に関する微分断面積を測定する。
• 再構築された検出器レベルの分布から、粒子レベルの観測量を回復するためにアンフォールディング技術を用いて検出器補正を実施する。
• 補正済み測定結果を、複数のモンテカルロジェネレータ（例：Powheg+Pythia8、MG5_aMC@NLO+Herwig7）およびPDFセットと比較し、モデル化の正確さを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現在のモンテカルロジェネレータは、ブースト状態におけるZ + 大半径ジェット生成の運動量構造およびフレーバー構造をどの程度正確にモデル化しているか？
• RQ2 フレーバー包含型選択における追加のハドロン的活性は、既存の部分素線生成シミュレーションによってどの程度誤ってモデル化されているか？
• RQ3 部分素線ジェネレータにおける異なるフレーバー数スキームは、特に小ΔR(b1, b2)領域において二重b-taggedジェットの記述にどのように影響を与えるか？
• RQ4 微分断面積がb-tagged部分ジェット間の角度的分離にどの程度敏感であるか、また予測と比較してどう異なるか？
• RQ5 この測定結果は、高pTおよび重フレーバーを多く含む最終状態におけるQCDモデル化の改善に向けた強固なベンチマークとして機能できるか？

主な発見

• フレーバー包含型相空間において、モンテカルロシミュレーションとデータの間に顕著な不一致が観測され、特に追加のハドロン的活性が強い領域で顕著である。
• ΔR(b1, b2)に関する測定された微分断面積は、グルーオン分裂によるb¯b対生成に特徴的な小ΔR領域で予測と明確に乖離している。
• 一部のジェネレータでは大半径ジェット質量および横運動量分布のモデル化が改善されているが、高pT領域では依然として大きな系統的不確実性が残存している。
• 二重b-tagged相空間では、フレーバー数スキームの違いが明確に顕在化しており、特に小ΔR(b1, b2)領域で一部のジェネレータが生成率を低く見積もっている。
• データは、重クォーク質量効果を適切に取り入れ、部分素線における正規化スケールの選択を一貫したものにしたモデルを好む傾向が示された。
• これらの結果は、ブーストドジェットにおける硬いコヒーレント分離および重フレーバー生成のモデル化に対する強い実証的制約を提供し、ヒッグスおよび新しい物理の探索に直接的影響を与える。