[論文レビュー] Measurement of inclusive and differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13.6 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2397 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、2022年のCMSデータ34.7 fb⁻¹を用いて、√s = 13.6 TeVの陽子-陽子衝突において、Wボソンとともに1つのトップクォークが生成される過程（tW）の包含的および微分的断面積の最初の測定を報告する。tW信号を支配的なトップクォーク対生成背景から分離するために多次元判別子を用い、包含的断面積は82.3 ± 2.1（統計）+9.9/−9.7（系誤差）±3.3（ランプ）pbとして測定され、量子色力学（QCD）の次-leading order（NLO）における標準模型（SM）予測と整合的である。

ABSTRACT

The first measurement of the inclusive and normalised differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13.6 TeV is presented. The data were recorded with the CMS detector at the LHC in 2022, and correspond to an integrated luminosity of 34.7 fb$^{−1}$. The analysed events contain one muon and one electron in the final state. For the inclusive measurement, multivariate discriminants exploiting the kinematic properties of the events are used to separate the signal from the dominant top quark-antiquark production background. A cross section of $ 82.3\pm 2.1{\left( extrm{stat} ight)}_{-9.7}^{+9.9}\left( extrm{syst} ight)\pm 3.3\left( extrm{lumi} ight) $ pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. A fiducial region is defined according to the detector acceptance to perform the differential measurements. The resulting differential distributions are unfolded to particle level and show good agreement with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.[graphic not available: see fulltext]

研究の動機と目的

• √s = 13.6 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるtW生成断面積の包含的および微分的測定を目的とする。
• 最終状態を支配するトップクォーク対（tt̄）生成からの背景汚染を低減することを目的とする。
• 理論とのより良い比較を可能にするために、物理的レベルにアンフォールドされた断片的レベルの測定を実施することを目的とする。
• tW生成率が、QCDの次-leading orderにおける標準模型予測と整合的であるかを検証することを目的とする。
• tWが主要な不確実性要因であるトップクォーク対断面積測定への正確な入力となるようにすることを目的とする。

提案手法

• 運動量的性質に基づいてtW信号と支配的背景であるtt̄を区別するため、多次元判別子（例えば、ブーストされた意思決定木など）の使用。
• 複数のイベントカテゴリにわたる最尤フィットを適用して、tW信号収量を抽出する。
• 検出器の受容性に基づいて断片的領域を定義し、最終状態に1つのミューオンと1つの電子を要件とする。
• 移行行列を用いて検出器効果を補正するため、微分的分布を物理的レベルにアンフォールドする。
• 信号および背景モデル化にPOWHEG+Pythia8およびHERWIG++を用いたモンテカルロシミュレーションを実施し、NLO QCDおよびパートンシャワーのマッチングを含む。
• 実験的、理論的、およびランプ源からの系統的不確実性を評価し、PDFおよびαSの変動を含む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13.6 TeVにおけるtW生成断面積の包含的断面積は何か？ また、SM予測とどのように比較されるか？
• RQ2 トップクォークの横方向運動量およびインヴァリアント質量などの運動量的観測量に応じて、tW生成の微分的断面積はどのように変化するか？
• RQ3 物理的レベルにアンフォールドした後、測定された微分的分布は、次-leading order QCD予測とどの程度一致するか？
• RQ4 13.6 TeVにおける包含的tt̄断面積測定において、tW背景の寄与度は何か？
• RQ5 多次元的手法は、二レプトン最終状態においてtt̄背景を抑制しつつ、tW信号をどの程度効果的に保持できるか？

主な発見

• 包含的tW生成断面積は82.3 ± 2.1（統計）+9.9/−9.7（系誤差）±3.3（ランプ）pbとして測定され、87.9+2.0/−1.9（スケール）±2.4（PDF+αS）pbのSM予測と整合的である。
• 微分的断面積は物理的レベルにアンフォールドされ、次-leading order QCD予測と良好に一致している。
• 断片的領域は検出器の受容性に基づいて定義され、最終状態には1つのミューオンと1つの電子が含まれる。
• 支配的背景はトップクォーク対生成であり、最も信号が強いカテゴリでは全イベントの約80％を占める。
• 系統的不確実性の主な要因は理論的スケールおよびPDFの変動であり、ランプ不確実性は±3.3 pbが寄与している。
• 本測定は、tWが顕著な不確実性要因であるトップクォーク対断面積分析への正確な入力となる。