[論文レビュー] Measurement of the cross section of top quark-antiquark pair production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2382 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験で得られた138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突におけるトップクォーク-反トップクォーク対とWボソンの連関生成（ttW）の測定で、これまでで最も精度の高い結果を提示している。多変量解析と高度なレプトンおよびbジャット識別技術を用い、全電子的ttW断面積を868 ± 40（統計）± 51（系）fbとして測定した。これは2標準偏差以内で標準模型と整合的である。

ABSTRACT

The production of a top quark-antiquark pair in association with a W boson ($\mathrm{t\bar{t}}$W) is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analyzed data was recorded by the CMS experiment at the CERN LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with two or three leptons (electrons and muons) and additional jets are selected. In events with two leptons, a multiclass neural network is used to distinguish between the signal and background processes. Events with three leptons are categorized based on the number of jets and of jets originating from b quark hadronization, and the lepton charges. The inclusive $\mathrm{t\bar{t}}$W production cross section in the full phase space is measured to be 868 $\pm$ 40 (stat) $\pm$ 51 (syst) fb. The $\mathrm{t\bar{t}}$W$^+$ and $\mathrm{t\bar{t}}$W$^-$ cross sections are also measured as 553 $\pm$ 30 (stat) $\pm$ 30 (syst) and 343 $\pm$ 26 (stat) $\pm$ 25 (syst) fb, respectively, and the corresponding ratio of the two cross sections is found to be 1.61 $\pm$ 0.15 (stat) $^{+0.07}_{-0.05}$ (syst). The results are consistent with the standard model predictions within two standard deviations, and represent the most precise measurement of these cross sections to date.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突におけるトップクォーク-反トップクォーク対とWボソンの連関生成（ttW）の全電子的断面積を、√s = 13 TeVで測定すること。
• 138 fb⁻¹というより大きなデータセットと高度な解析手法を用いることで、以前の測定よりも精度を向上させること。
• 電弱結合や新しい物理現象に敏感な、ttW⁺とttW⁻生成の電荷非対称性を調査すること。
• 最適化された多変量解析と機械学習に基づく識別手法により、非プロンプトレプトンおよび誤識別ジャットの背景寄与を低減すること。
• 特にQCDおよび電弱補正の次-leading orderでの理論計算の精錬に不可欠な入力となること。

提案手法

• トップクォークおよびWボソンの崩壊の特徴を活用し、2つまたは3つの荷電レプトン（電子またはミューオン）と追加のジャットを有するイベントを選別する。
• 2レプトン最終状態では、信号とバックグラウンドを区別するために、多クラスニューラルネットワークを用い、プロンプトレプトンと非プロンプトレプトンの分離を最適化する。
• 3レプトン最終状態では、ジャット多重度、bジャット含有状態、レプトンの電荷に基づいてイベントをカテゴリ化し、信号感度を向上させる。
• 制御領域とシミュレーションを併用したデータ駆動型手法によりバックグラウンドを推定し、特に非プロンプトレプトンおよび誤再構成電子に注意を払う。
• 実験的（例：レプトンおよびジャットエネルギースケール、bタギング）および理論的（例：PDF、パートンシャワー効果）要因からの系統的不確実性を評価する。
• 全信号およびバックグラウンド成分とその不確実性を組み込んだプロファイル尤度フィットにより断面積を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突におけるttW生成の全電子的断面積は何か？
• RQ2 ttW⁺とttW⁻の断面積はどのように異なり、測定された電荷非対称性は何か？
• RQ3 測定された断面積は標準模型の予測とどの程度整合的であり、新しい物理を制限するにはどの程度有用か？
• RQ4 高度な機械学習手法は、以前の解析と比較して、信号対バックグラウンドの分離をどの程度向上させるか？
• RQ5 改善されたレプトンおよびbジャット識別が、全体の測定精度にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 全電子的ttW生成断面積は、868 ± 40（統計）± 51（系）fbと測定され、これまでで最も精度の高い決定である。
• ttW⁺およびttW⁻の断面積は、それぞれ553 ± 30（統計）± 30（系）fbおよび343 ± 26（統計）± 25（系）fbと測定された。
• ttW⁺とttW⁻断面積の比は1.61 ± 0.15（統計）+0.07⁄−0.05（系）であり、パートン分布関数による予想される電荷非対称性と整合的である。
• 測定された断面積は標準模型の予測を上回っているが、2標準偏差の範囲内で整合的である。
• データの流量が3.8倍増加（138 fb⁻¹）され、機械学習に基づくレプトンおよびbジャット識別が向上したことで感度が向上した。
• これらの結果は、ttW生成の次-leading order量子色力学および電弱補正の理論計算の精錬に不可欠なベンチマークを提供する。