[論文レビュー] Measurement of differential ZZ + jets production cross sections in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2374 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、LHCのCMS実験が収集した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における微分的ZZ + ジェット生成断面積の精度測定を提示する。ジェット多重度、pT、η、二ジェットインヴァリエント質量、∆η、および4レプトンインヴァリエント質量を関数として微分的分布を測定し、大多数の領域で理論的予測と良好な一致を示したが、特定の位相空間領域ではモデル化の改善が求められる乖離が特定された。

ABSTRACT

Diboson production in association with jets is studied in the fully leptonic final states, pp $ o$ (Z$\gamma^*$)(Z/$\gamma^*$)+jets $ o$ 2$\ell$2$\ell'$+jets, ($\ell,\ell'$ = e or $\mu$) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected with the CMS detector at the LHC. Differential distributions and normalized differential cross sections are measured as a function of jet multiplicity, transverse momentum $p_\mathrm{T}$, pseudorapidity $\eta$, invariant mass and $\Delta\eta$ of the highest-$p_\mathrm{T}$ and second-highest-$p_\mathrm{T}$ jets, and as a function of invariant mass of the four-lepton system for events with various jet multiplicities. These differential cross sections are compared with theoretical predictions that mostly agree with the experimental data. However, in a few regions we observe discrepancies between the predicted and measured values. Further improvement of the predictions is required to describe the ZZ+jets production in the whole phase space.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける完全レプトン最終状態でのZZ + ジェット生成の微分的断面積を測定すること。
• 複雑なマルチボソン・マルチジェット最終状態において、次々に次が正しい(QCD)および電弱理論的予測の妥当性を検証すること。
• 理論的予測が実験データから逸脱する位相空間領域を同定し、現在のモデル化における潜在的な限界を示唆すること。
• ベクトルボソンおよびジェットを含む高多重度最終状態におけるQCDおよび電弱ダイナミクスの理解を深めること。

提案手法

• 分析には、√s = 13 TeVでCMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データが使用された。
• イベントは完全レプトン最終状態で選別された：pp → (Z/γ*) (Z/γ*) + ジェット → 2ℓ2ℓ′ + ジェット、ここでℓ, ℓ′ = e または µである。
• 微分的断面積は、ジェット多重度（Njets）、横運動量（pT）、擬似迅速度（η）、二ジェットインヴァリエント質量、2番目に高いpTを持つジェット間の∆η、および4レプトンインヴァリエント質量（m4ℓ）の関数として測定された。
• 名目的な信号サンプルは、以前のPOWHEGジェネレータに代わってMADGRAPH5 aMC@NLOを用いて生成された。
• 検出器効果を補正し、真の微分的分布を抽出するために、正則化されたアンフォールディング手法が適用された。
• 理論的予測は、nNNLO+PS計算と照合され、パートンシャワーにマッチングされた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおけるZZ + ジェット生成の微分的断面積は、ジェット多重度およびpT、η、二ジェット∆ηなどの運動量変数とともにどのように変化するか？
• RQ2 現在のNNLO QCDおよびnNNLO+PS予測は、全位相空間にわたり測定された微分的断面積をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 測定された断面積が理論的予測から顕著に逸脱する特定の運動量領域は存在するか？ これはモデル化の欠陥を示唆するか？
• RQ4 ジェットの存在は、オンシェルZボソン要件を満たすかどうかに関わらず、4レプトンインヴァリエント質量（m4ℓ）分布にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 測定された微分的断面積は、ジェット多重度およびpT分布において、位相空間の大部分で理論的予測と良好な一致を示した。
• 二ジェットインヴァリエント質量および∆η分布の特定の領域で乖離が観測され、理論的予測がデータを低くまたは高く見積もっていた。
• 4レプトンインヴァリエント質量（m4ℓ）分布は、標準模型（SM）の予測によりよく記述されており、オンシェルZ領域（60–120 GeV）では顕著な逸脱は観測されなかった。
• MADGRAPH5 aMC@NLOおよび正則化されたアンフォールディングの使用により、以前の解析と比較して微分的断面積測定の精度と信頼性が向上した。
• 結果は標準模型と整合的であり、高次のQCDおよび電弱計算の妥当性を支持するが、特定の運動量領域における理論的精錬の必要性を浮き彫りにした。
• ZZ生成のフィダシアル断面積は、以前の測定と一致しており、本研究で用いられた解析フレームワークの妥当性が裏付けられた。