[論文レビュー] Measurement of $ t\overline{t} $ production in association with additional b-jets in the eμ final state in proton–proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend+2970 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、LHCのATLAS検出器を用いて2015–2018年に取得した140 fb⁻¹のpp衝突データを用い、√s = 13 TeVにおける電子とミューオンの最終状態（eμ最終状態）でのトップ反トップクォーク対（tt̄）と追加のbクォークジェットを伴う生成断面積の高精度測定を報告する。研究では、粒子レベルでの全断面積および微分断面積分布を報告しており、次-leading order（NLO）QCD予測と良好な一致を示しているが、いかなる1つの理論的モデルでも同時にすべての観測量を記述できないことから、理論的モデルの改善および測定感度の向上の必要性が示された。

ABSTRACT

This paper presents measurements of top-antitop quark pair ($t\bar{t}$) production in association with additional $b$-jets. The analysis utilises 140 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Fiducial cross-sections are extracted in a final state featuring one electron and one muon, with at least three or four $b$-jets. Results are presented at the particle level for both integrated cross-sections and normalised differential cross-sections, as functions of global event properties, jet kinematics, and $b$-jet pair properties. Observable quantities characterising $b$-jets originating from the top quark decay and additional $b$-jets are also measured at the particle level, after correcting for detector effects. The measured integrated fiducial cross-sections are consistent with $t\bar{t}b\bar{b}$ predictions from various next-to-leading-order matrix element calculations matched to a parton shower within the uncertainties of the predictions. State-of-the-art theoretical predictions are compared with the differential measurements; none of them simultaneously describes all observables. Differences between any two predictions are smaller than the measurement uncertainties for most observables.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおけるeμ最終状態でのトップ反トップクォーク対と追加のbジェットを伴う生成断面積の全断面積を測定すること。
• 検出器レベルの選択条件に近い粒子レベルの全断面積領域を定義することで、モデル依存の外挿を低減すること。
• ジェット運動量、bジェット対の性質、トップクォーク崩壊構成に敏感な微分断面積測定を提供すること。
• 最新のNLO QCD予測（部分素粒子シャワーとマッチング）が、複数の観測量においてデータと整合するかを検証すること。
• 類似した最終状態におけるヒッグスおよびZボソン解析に不可欠な、tt̄+bジェット生成におけるQCDダイナミクスの理解を深めること。

提案手法

• 2015–2018年にLHCでATLAS検出器が収集した140 fb⁻¹の陽子–陽子衝突データを用いた。
• 安定粒子レベルの対象に基づいて粒子レベルでの全断面積領域を定義し、検出器レベルの選択条件に密接に一致させ、検出器応答補正を最小限に抑えた。
• bジェットのフレーバー構成をデータ駆動で補正する要因を用いて、検出器レベルの観測量を粒子レベルの分布にアンフォールドした。
• バックグラウンド推定技術を適用し、非即時的および誤認識されたレプトンのバックグラウンドに対してデータ駆動手法を用い、即時的レプトンバックグラウンドも含めた。
• 複数のモンテカルロジェネレータ（例：MadGraph5_aMC@NLO + Herwig 7）を用いて、NLO行列要素と部分素粒子シャワーをマッチングさせた信号およびバックグラウンド過程のモデル化を行った。
• 統計的および系統的不確かさ（実験的、信号モデル化、バックグラウンドモデル化の不確かさを含む）を評価し、信頼性の高い断面積抽出を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 eμ最終状態におけるtt̄+bジェット生成断面積の測定値は、NLO QCD予測とどの程度一致するか？
• RQ2 現在の部分素粒子シャワーとマッチングされたNLO QCD予測は、bジェットの運動量およびトップクォーク崩壊生成物の微分分布をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 bジェット多重度、横方向運動量、二重ジェット質量、あるいは角度相関の分布において、理論的予測とデータとの間に顕著な乖離が認められるか？
• RQ4 トップクォーク崩壊由来とグルーオン放射由来と分類されたbジェットの測定分布は、理論的期待値とどの程度一致するか？
• RQ5 複数の観測量にわたる統合および微分断面積を同時に考慮した場合、データと理論的予測の整合性はどの程度高いか？

主な発見

• 少なくとも3つまたは4つのbジェットを伴うtt̄+bジェット生成断面積の測定された統合全断面積は、部分素粒子シャワーとマッチングされたNLO QCD予測と、実験的不確かさの範囲内で一致している。
• いかなる1つの理論的予測でも、同時にすべての測定された微分断面積を記述できていないことから、bジェット生成メカニズムの現在のモデル化に限界があることが示された。
• 2つの理論的予測の差は一般的に測定不確かさおよびQCDスケール変動よりも小さく、現在のデータではモデル間の区別が困難であることが示された。
• トップクォーク崩壊由来とグルーオン放射由来と分類されたbジェットの運動量分布は、pT順序で整列させた場合と同程度の適合性を示しており、ジェット割り当て方式への分析の頑健さが裏付けられた。
• tt̄イベントにおけるbジェットフレーバー構成に対するデータ駆動補正要因が正常に適用され、アンフォールドプロセスにおけるモデル依存性が低減された。
• 主に最初位のbジェットのpTスペクトル、二重ジェット質量、および追加のbジェットの角度分布を含む微分測定は、bジェットを伴うトップクォーク生成におけるQCDダイナミクスを包括的に探査するものとなった。