[論文レビュー] Measurement of $t$-channel single-top-quark production in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2929 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、LHCのATLAS検出器から得られた255 pb$^{-1}$のデータを用いて、$\sqrt{s} = 5.02$ TeVにおける$pp$衝突における$t$-チャンネル単一トップクォーク生成の初回測定を提示する。$tq + \bar{t}q$生成の包括的断面積は、$27.1^{+4.4}_{-4.1}$（統計）$^{+4.4}_{-3.7}$（系差）pbとして測定され、$R_t = 2.73^{+1.43}_{-0.82}$（統計）$^{+1.01}_{-0.29（系差）}である。これは、標準模型予測と良好に一致している。

ABSTRACT

The observation of the electroweak production of single-top-quarks is made using 255 $ ext{pb}^{-1}$ of proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. An event selection is used to identify single-top-quark candidates arising from $t$-channel production with the top quark decaying semi-leptonically. Events passing the selection are then used to measure the inclusive cross-section for the combined production of single-top-quarks and antiquarks, $\sigma({tq + \bar{t}q})$, and the ratio $R_t$ between these two. They are measured to be $\sigma({tq + \bar{t}q}) = 27.1^{+4.4}_{-4.1} ( ext{stat.}) ^{+4.4}_{-3.7} ( ext{syst.})$ pb and $R_t = 2.73^{+1.43}_{-0.82} ( ext{stat.}) ^{+1.01}_{-0.29} ( ext{syst.})$. The individual single-top-quark ($t q$) and single-top-antiquark ($\bar{t} q$) production cross-sections are measured to be $\sigma(t q) = 19.8^{+3.9}_{-3.1} ( ext{stat.}) ^{+2.9}_{-2.2} ( ext{syst.})$ pb and $\sigma(\bar{t}q) = 7.3^{+3.2}_{-2.1} ( ext{stat.}) ^{+2.8}_{-1.5} ( ext{syst.})$ pb. All measurements are in good agreement with the Standard Model predictions.

研究の動機と目的

• このチャネルがこれまでに調査されていなかった$\sqrt{s} = 5.02$ TeVの中心系エネルギーでの$t$-チャンネル単一トップクォーク生成の観測と測定を目的とする。
• $tq + \bar{t}q$生成の包括的断面積と比$R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q)$の測定を行い、CKM行列要素$V_{tb}$の検証を目的とする。
• 従来の高エネルギー結果とは異なる背景および検出器系差を有する、より低いエネルギースケールでの独立した測定を提供することを目的とする。
• 新しい運動的領域における電弱的単一トップクォーク生成の標準模型予測の妥当性を検証することを目的とする。

提案手法

• 半レプトン的崩壊（$t \to bW^+ \to b\ell\!\!+\!\!\nu_\ell$）を介した$t$-チャンネル単一トップクォーク候補の特定を目的として、$e$、$\mu$、$\tau$最終状態でイベント選別を実施する。
• 誤識別またはジェットや重いフラバー崩壊に起因する非即時レプトンを抑制するため、中程度の識別基準と厳密な分離基準を用いてレプトンを選別する。
• 粒子フロー法を用いてジェットを再構築し、トップクォークに対して反動するライトクォークジェットの存在が、信号のトポロジー同定を強化する。
• データ駆動型手法とモンテカルロシミュレーションを用いて、$W$+ジェット、$t\bar{t}$、$Z$+ジェット、二ボソン過程からの背景を推定する。
• レプトンの$p_T$、欠落横断運動量、ジェットの$p_T$などの運動量変数の観測分布を同時にフィットすることで断面積を抽出する。
• 検出器効果、背景モデル、および照射率に関する系統的不確かさを評価し、最終結果への完全な伝搬を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\sqrt{s} = 5.02$ TeVにおける$t$-チャンネル単一トップクォークおよび反トップクォーク生成の包括的断面積は何か？
• RQ2 比$R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q)$は何か？ これは標準模型予測とどのように比較されるか？
• RQ3 測定された断面積は、この低い中心系エネルギーにおける理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ4 ATLAS検出器を用いた$pp$衝突において、$\sqrt{s} = 5.02$ TeVで$t$-チャンネル単一トップクォーク生成を観測および測定できるか？
• RQ5 $V_{tb}$を介したCKM行列のユニタリティの検証において、この測定の有意性は何か？

主な発見

• $tq + \bar{t}q$生成の包括的断面積は、$\sigma(tq + \bar{t}q) = 27.1^{+4.4}_{-4.1}$（統計）$^{+4.4}_{-3.7}$（系差）pbとして測定された。
• 比$R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q)$は、$2.73^{+1.43}_{-0.82}$（統計）$^{+1.01}_{-0.29}$（系差）として測定された。
• 単一トップクォーク生成の個別断面積は、$\sigma(tq) = 19.8^{+3.9}_{-3.1}$（統計）$^{+2.9}_{-2.2}$（系差）pbであった。
• 単一トップ反クォーク生成の個別断面積は、$\sigma(\bar{t}q) = 7.3^{+3.2}_{-2.1}$（統計）$^{+2.8}_{-1.5}$（系差）pbであった。
• 測定されたすべての値は、標準模型予測と良好に一致しており、電弱的トップクォーク生成メカニズムの妥当性を支持している。
• この測定は、$\sqrt{s} = 7$、8、13 TeVでの既存の結果とは異なる系差を有する、より低い中心系エネルギーでの標準模型の新たな独立したテストを提供している。