[論文レビュー] Measurement of single top-quark production in the s-channel in proton$-$proton collisions at $\mathrm{\sqrt{s}=13}$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2954 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、ATLAS検出器を用いて、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突データ 139 fb⁻¹ を用いて、sチャネルにおけるシングルトップクォーク生成の測定が行われた。信号事象とバックグラウンドを区別するために行列要素法が用いられ、観測された断面積は σ = 8.2⁺³.⁵₋².⁹ pb であり、3.3σ の有意水準で標準模型予測値 10.32⁺⁰.⁴⁰₋⁰.³⁶ pb と整合的である。

ABSTRACT

A measurement of single top-quark production in the s-channel is performed in proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The analysis is performed on events with an electron or muon, missing transverse momentum and exactly two $b$-tagged jets in the final state. A discriminant based on matrix element calculations is used to separate single-top-quark s-channel events from the main background contributions, which are top-quark pair production and $W$-boson production in association with jets. The observed (expected) signal significance over the background-only hypothesis is 3.3 (3.9) standard deviations, and the measured cross-section is $\sigma=8.2^{+3.5}_{-2.9}$ pb, consistent with the Standard Model prediction of $\sigma^{\mathrm{SM}}=10.32^{+0.40}_{-0.36}$ pb.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV におけるpp衝突におけるsチャネルシングルトップクォーク生成断面積を測定すること。
• sチャネル過程を通じてトップクォークの電弱結合を調べることで、標準模型の検証に寄与すること。
• 行列要素法を用いた判別子を導入することで、シングルトップクォーク探索の感度を向上させること。
• 高度なイベント分類を用いて、トップクォーク対生成およびW+ jets生成由来のバックグラウンド寄与を低減すること。
• LHCで達成可能な最高エネルギーでの高精度な測定を提供し、QCDおよび有効場理論の予測を検証すること。

提案手法

• 分析には、ATLAS検出器が収集した、√s = 13 TeV における139 fb⁻¹ のpp衝突データが使用された。
• イベント選択基準として、分離した電子またはミュオン、大きな欠落横断運動量、および正確に2つのb-taggedジェットを有するイベントが選別された。
• 行列要素法により、各イベントが信号（sチャネルトップ）である確率とバックグラウンド（tt̄ または W+jets）である確率が、一次近似行列要素を用いて計算された。
• 判別子は、シミュレーションで得られた信号およびバックグラウンドイベントを用いてトレーニングされ、分離能を最大化するように最適化された。
• ジェットエネルギースケール、b-tagging効率、部分子密度関数、放射効果のモデル化に関する系統的不確実性が評価された。
• バックグラウンド正規化を自由に動かせるように、判別子分布に対してプロファイル尤度推定を用いて信号抽出が行われた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV におけるsチャネルシングルトップクォーク生成断面積は何か？
• RQ2 観測された信号の有意水準は、バックグラウンドのみの仮説と比べてどの程度か？
• RQ3 ブーストドリフトツリーなどの従来手法と比較して、行列要素法判別子はバックグラウンドの抑制をどの程度改善したか？
• RQ4 測定された断面積は、NLO QCDにおける標準模型予測とどの程度整合するか？
• RQ5 この測定における主要な系統的不確実性の要因は何か？

主な発見

• sチャネルシングルトップクォーク生成断面積の測定値は σ = 8.2⁺³.⁵₋².⁹ pb であり、標準模型予測値 10.32⁺⁰.⁴⁰₋⁰.³⁶ pb と整合的である。
• バックグラウンドのみの仮説に対する観測された有意水準は3.3標準偏差であり、予想される有意水準（3.9標準偏差）よりやや低い。
• 行列要素法判別子は、ブーストドリフトツリーなどの従来手法と比較して、信号とバックグラウンドの分離能が向上している。
• 主な系統的不確実性の要因は、ジェットエネルギースケール、b-tagging効率、および部分子密度関数である。
• 中心系エネルギーが上昇するにつれて、sチャネル断面積とW+jetsおよびtt̄断面積の比が増大するため、13 TeVでの測定はより困難になっている。
• この結果は、トップクォークの電弱結合に関する標準模型の妥当性を支持しており、有効場理論における異常結合の制約を強化している。