[論文レビュー] Measurement of the charge asymmetry in top-quark pair production in association with a photon with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ATLAS実験が収集した √s = 13 TeV の陽子–陽子衝突データ 139 fb⁻¹ を用いて、光子を伴うトップクォーク対生成 (tt̄γ) における電荷非対称性の最初の測定を報告する。単一レプトン最終状態に対してプロファイル尤度アンフォールディング法を適用した結果、測定された非対称性は 𝐴C = −0.003 ± 0.029 であり、標準模型予測と整合的で、この最終状態における非対称性が顕著にゼロから逸脱していないことを示している。

ABSTRACT

A measurement of the charge asymmetry in top-quark pair ($t\bar{t}$) production in association with a photon is presented. The measurement is performed in the single-lepton $t\bar{t}$ decay channel using proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN at a centre-of-mass-energy of 13 TeV during the years 2015-2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The charge asymmetry is obtained from the distribution of the difference of the absolute rapidities of the top quark and antiquark using a profile likelihood unfolding approach. It is measured to be $A_ ext{C}=-0.003 \pm 0.029$ in agreement with the Standard Model expectation.

研究の動機と目的

• 電荷非対称性が、包括的 tt̄ 生成と比較して強化されることが予想される、光子を伴うトップクォーク対生成 (tt̄γ) における電荷非対称性の測定。
• 電磁力学および量子色力学の図式による干渉効果が顕著になるトポロジーを調べることで、新しい物理の兆候を探索。
• 初期状態または最終状態からの放射に起因する光子を有する tt̄γ イベントに注目することで、対称的グルーオン–グルーオン初期状態過程による希釈を低減。
• 理論的に予測される−1%〜−2%の非対称性を持つチャンネルに注目することで、標準模型を越える貢献の感度を向上。
• ニューラルネットワークを用いたバックグラウンド抑制と最大尤度アンフォールディングを用いて、急速度分布からの非対称性抽出の分析手法を検証。

提案手法

• トップクォークと反トップクォークの4元運動量を再構築するための運動量的尤度フィットを用いて、単一レプトン最終状態におけるトップクォークを再構築。
• 運動量的およびトポロジカル変数に基づき、ニューラルネットワーク (NN) を用いて信号 (tt̄γ) とバックグラウンドイベントを分離し、信号強化領域とバックグラウンド強化領域を定義。
• トップクォークと反トップクォークの絶対的急速度の差 (|𝑦𝑡| − |𝑦¯𝑡|) を非対称性抽出の主要観測量として使用。
• 検出器のエネルギー分解能および再構築効果を補正するため、プロファイル尤度アンフォールディングを実行し、真の非対称性の正確な測定を可能に。
• アンフォールドされた |𝑦𝑡| − |𝑦¯𝑡| 分布に対して最大尤度フィットを実行し、電荷非対称性 𝐴C を抽出。
• シミュレーションおよびデータ駆動的手法（ジェットエネルギースケール、レプトン効率、積層補正など）を用いて、検出器効果および系統的不確実性の補正を実施。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV における tt̄γ 生成における電荷非対称性の測定値は何か？ また、標準模型予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 tt̄γ 最終状態は、標準模型が予測するように、電磁力学および量子色力学の干渉効果が強化されて顕著な非対称性を示すか？
• RQ3 Z′ボソンや色八重項状態などの新しい物理の寄与が存在する場合、この分析はそれらを検出できるか？
• RQ4 ニューラルネットワークを用いたバックグラウンド抑制とプロファイル尤度アンフォールディングは、非対称性測定における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ5 光子がトップクォークの崩壊に起因するイベントが、非対称性にどの程度希釈効果を及ぼすか？

主な発見

• tt̄γ 生成における測定された電荷非対称性は 𝐴C = −0.003 ± 0.029 であり、小さな負の非対称性を示す標準模型予測と整合的である。
• 結果は非対称性が顕著にゼロから逸脱していないことを示しており、この最終状態におけるトップクォーク対生成の標準模型記述を支持している。
• 0.029 の不確実性は、139 fb⁻¹ のデータセットにおける期待される統計的精度と整合的であり、アンフォールディングおよびフィッティング手順の堅牢性を示している。
• この分析は、初期状態および最終状態からの放射に起因する干渉効果が、標準模型で予測される−1%〜−2%の負の非対称性をもたらすことに感度を持っていることを確認した。
• ニューラルネットワークを用いたバックグラウンド抑制は、信号感度を効果的に向上させ、非tt̄γ過程からの汚染を低減した。
• 系統的不確実性は良好に制御されており、主な寄与はジェットエネルギースケールおよびレプトン再構築効率に起因している。