[論文レビュー] Measurement of t-channel production of single top quarks and antiquarks in pp collisions at 13 TeV using the full ATLAS Run 2 data sample

G. Aad, B. Abbott+2967 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、13 TeVの陽子-陽子衝突において、ATLAS Run 2データの140 fb⁻¹を用いて、tチャネルのシングルトップクォークおよび反クォーク生成の高精度測定を提示する。全断面積はσ(tq) = 137⁺⁸₋₈ pbおよびσ(ṫq) = 84⁺⁶₋₅ pbであり、比Rt = 1.636⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁴である。これはNNLO QCD予測と非常に良く一致しており、パートン分布関数、有効場理論演算子、および95%信頼水準におけるCKM行列要素|Vtb| > 0.95の新たな制約を提供する。

ABSTRACT

The production of single top quarks and top antiquarks via the t-channel exchange of a virtual W boson is measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV at the LHC using 140 fb$^{−1}$ of ATLAS data. The total cross-sections are determined to be $ \sigma (tq)={137}_{-8}^{+8} $ pb and $ \sigma \left(\overline{t}q ight)={84}_{-5}^{+6} $ pb for top-quark and top-antiquark production, respectively. The combined cross-section is found to be $ \sigma \left( tq+\overline{t}q ight)={221}_{-13}^{+13} $ pb and the cross-section ratio is $ {R}_t=\sigma (tq)/\sigma \left(\overline{t}q ight)={1.636}_{-0.034}^{+0.036} $. The predictions at next-to-next-to-leading-order in quantum chromodynamics are in good agreement with these measurements. The predicted value of R$_{t}$ using different sets of parton distribution functions is compared with the measured value, demonstrating the potential to further constrain the functions when using this result in global fits. The measured cross-sections are interpreted in an effective field theory approach, setting limits at the 95% confidence level on the strength of a four-quark operator and an operator coupling the third quark generation to the Higgs boson doublet: $ -0.37<{C}_{Qq}^{3,1}/{\Lambda}^2<0.06 $ and $ -0.87<{C}_{\phi Q}^3/{\Lambda}^2<1.42 $. The constraint |V$_{tb}$| > 0.95 at the 95% confidence level is derived from the measured value of $ \sigma \left( tq+\overline{t}q ight) $, assuming that the Wtb interaction is a left-handed weak coupling and that |V$_{tb}$| ≫ |V$_{td}$|, |V$_{ts}$|. In a more general approach, pairs of CKM matrix elements involving top quarks are simultaneously constrained, leading to confidence contours in the corresponding two-dimensional parameter spaces.[graphic not available: see fulltext]

研究の動機と目的

• 完全なATLAS Run 2データセットを用いて、tチャネルのシングルトップクォークおよび反クォーク生成断面積をより高精度に測定する。
• 断面積比Rtがu-クォークおよびd-クォークのPDFに敏感であることに着目し、パートン分布関数（PDFs）を制約する。
• 有効場理論（EFT）を用いて標準模型を検証し、四クォークおよびヒッグス結合演算子のウィルスン係数に制限を設ける。
• カビブロ＝コバヤシ＝マスカワ（CKM）行列要素|Vtb|とその|Vtd|および|Vts|との相関を同時に制約する。
• 高流量データと高度な統計的および系貫的処理を組み合わせることで、新しい物理の感度を向上させる。

提案手法

• 多ジェットおよびレプトン崩壊型トップイベントで豊富な信号領域および制御領域において、プロファイル尤度推定を実行する。
• 高度なオブジェクト再構築および改良されたレプトン偽装／非プロンプトモデルを用いて、バックグラウンドの汚染を低減する。
• 信号収量およびバックグラウンド寄与を同時に制約する最大尤度推定を実行し、系貫的不確実性も含む。
• NNLO QCD予測を用いたモンテカルロシミュレーションを用いて、信号およびバックグラウンドプロセス（tW、tt̄、 dibosonなど）をモデル化する。
• EFTパラメータの尤度スキャンを実行し、95%信頼水準におけるウィルスン係数C3,1Qq/Λ²およびC3ϕQ/Λ²の上限を導出する。
• 一般化された二次元パrameter spaceアプローチを用いて、CKM行列要素の制約として結果を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 140 fb⁻¹のデータを用いた13 TeVにおけるtチャネルのシングルトップクォークおよび反クォーク生成断面積は、どの程度正確に測定されるか？
• RQ2 NNLO QCD予測は、測定された断面積およびそれらの比Rtをどの程度よく記述するか？
• RQ3 測定された比Rtを用いて、パートン分布関数（PDFs）にどの程度の制約を設けられるか？
• RQ4 四クォーク演算子O3,1Qqおよびヒッグス結合演算子O3ϕQのウィルスン係数に、95%信頼水準でどの程度の制限が設けられるか？
• RQ5 |Vtb|の下限は何か？ また、CKM行列要素|Vtb|、|Vts|、|Vtd|は同時にどの程度制約されるか？

主な発見

• tチャネルのシングルトップクォークおよび反クォーク生成の全断面積は、σ(tq + ṫq) = 221⁺¹³₋₁₃ pbとして測定された。
• トップクォーク生成断面積はσ(tq) = 137⁺⁸₋₈ pb、トップ反クォーク生成断面積はσ(ṫq) = 84⁺⁶₋₅ pbである。
• 断面積比Rt = σ(tq)/σ(ṫq)は1.636⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁴として測定され、NNLO QCD予測と非常に良く一致している。
• EFT係数C3,1Qq/Λ²に95%信頼水準で制限が設けられ、−0.37 < C3,1Qq/Λ² < 0.06が得られた。
• ヒッグス結合演算子に対する制約は、95%信頼水準で−0.87 < C3ϕQ/Λ² < 1.42である。
• 左巻きのWtb結合を仮定し、|Vtb| ≫ |Vtd|、|Vts|であるとすると、|Vtb| > 0.95の下限が95%信頼水準で導出された。