[論文レビュー] Measurement of the Inclusive and Fiducial Cross-Section of Single Top-Quark $t$-Channel Events in $pp$ Collisions at $\sqrt{s}$ = 8 TeV

Phillipp Tepel|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、20.3 fb$^{-1}$ のデータを用いて、$\sqrt{s} = 8$ TeV における $pp$ 衝突において、$t$-チャンネル単一トップクォーク生成のフィデューシャル断面積を初めて測定した。ニューラルネットワーク判別子を用いて信号とバックグラウンドを分離し、フィデューシャル断面積として $3.37 \pm 0.05~(\text{統計}) \pm 0.47~(\text{系誤差}) \pm 0.09~(\text{lumi.})$ pb の結果が得られ、これは標準模型の予測と整合的であり、95%信頼水準で $|V_{tb}| = 0.97^{+0.09}_{-0.10}$ の決定が可能となった。

ABSTRACT

This article presents the measurement of a $t$-channel single top-quark production fiducial cross-section in the lepton+jets channel with 20.3 fb$^{-1}$ of 8 TeV data using a neural-network discriminant. A fiducial cross-section quoted within the detector acceptance of $σ_{ m fid} = 3.37 \pm 0.05 \, (\mathrm{stat.}) \pm 0.47 \, (\mathrm{syst.}) \pm 0.09 \, (\mathrm{lumi.})~ ext{pb}$ is obtained. The total inclusive $t$-channel cross-section is calculated using the acceptance predicted by various Monte Carlo generators. If the acceptance from the a MC@NLO + Herwig event generator is used, a value of $σ_t = 82.6 \pm 1.2 \, (\mathrm{stat.}) \pm 11.4 \, (\mathrm{syst.}) \pm 3.1 \, (\mathrm{PDF}) \pm 2.3 \, (\mathrm{lumi.})~ ext{pb}$ is obtained, consistent with the Standard Model prediction. Using the ratio of the measured inclusive cross-section to the predicted cross-section and assuming that the top-quark-related CKM matrix elements obey the relation $|V_{tb}|\gg |V_{ts}|, |V_{td}|$, the coupling strength at the $W$-$t$-$b$ vertex is determined to be $|V_{tb}|=0.97^{+0.09}_{-0.10}$. Assuming that $|V_{tb}|\leq 1$ a lower limit of $|V_{tb}|>0.78$ is obtained at the 95% confidence level.

研究の動機と目的

• $\sqrt{s} = 8$ 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フィデューシャル断面積を測定すること。
• 検出器の受容域および運動的カットによって定義されるフィデューシャル位相空間に焦点を当てることで、モデル依存性を低減すること。
• 測定された断面積と理論的予測を用いて、$W$-トップ-ボトム結合定数 $|V_{tb}|$ を抽出すること。
• NLO+NNLL計算との比較を通じて、測定結果が標準模型と整合的であるかを検証すること。

提案手法

• 1つの孤立したレプトン（$p_T > 25$ GeV、$|\eta| < 2.5$）、正確に2つのジェット（$p_T > 30$ GeV、$|\eta| < 4.5$、$2.75 < |\eta| < 3.5$ では $p_T > 35$ GeV）、1つの $b$-タグ付きジェット、および $E_T^{\text{miss}} > 30$ GeV を有するイベントを選択した。
• 14個の運動的観測量を入力として用いたニューラルネットワークを訓練し、信号とバックグラウンドの分離を向上させた。入力の整合性は、データとシミュレーションの間で妥当性を確認した。
• マルチジェットを除くすべてのプロセスのバックグラウンド寄与は理論的予測を用いて推定した。マルチジェット成分は、$E_T^{\text{miss}}$ 分布に対するビン化された最尤フィットを用いて抽出した。
• マルチジェットバックグラウンドは、電子チャンネルではジェット-レプトン法、ミュオンチャンネルではアンチミュオン法を用い、両者ともデータ駆動型技術に基づいてモデル化した。
• フィデューシャル断面積は、比 $R_f = \epsilon_{\text{corr,sel}} / \epsilon_{\text{corr,fid}}$ を用いて計算され、$\hat{\nu}$ はニューラルネットワーク出力のフィットから得られた。
• インクルーシブ断面積は、a MC@NLO + Herwig ゲンレータからの受容率を用いてフィデューシャル断面積から外挿し、疑似実験を用いて不確実性を伝搬させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 $\sqrt{s} = 8$ 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フィデューシャル断面積は何か？
• RQ2 測定されたフィデューシャル断面積は、NLOおよびマッチドLOジェネレータからの理論的予測とどのように比較されるか？
• RQ3 断面積測定に基づいて、$W$-トップ-ボトム CKM行列要素 $|V_{tb}|$ の測定値は何か？
• RQ4 $|V_{tb}| \leq 1$ を仮定した場合、95%信頼水準での $|V_{tb}|$ の下限は何か？
• RQ5 特にジェットエネルギースケールおよびジェネレータモデル化の影響を含む、系統的不確実性が断面積測定の精度にどのように影響するか？

主な発見

• フィデューシャル断面積は $\sigma_{\text{fid}} = 3.37 \pm 0.05~(\text{統計}) \pm 0.47~(\text{系誤差}) \pm 0.09~(\text{lumi.})$ pb として測定された。
• a MC@NLO + Herwig ゲンレータを用いて外挿したインクルーシブ $t$-チャンネル断面積は $\sigma_t = 82.6 \pm 1.2~(\text{統計}) \pm 11.4~(\text{系誤差}) \pm 3.1~(\text{PDF}) \pm 2.3~(\text{lumi.})$ pb であった。
• 測定されたフィデューシャル断面積は、NLO+NNLL理論的予測と非常に良好に一致しており、POWHEG および a MC@NLO ゲンレータを用いた場合、差はわずか 1.7% にとどまった。
• $W$-トップ-ボトム頂点での結合定数は $|V_{tb}| = 0.97^{+0.09}_{-0.10}$ と決定され、CKM行列のユニタリティと整合的であった。
• $|V_{tb}| \leq 1$ を仮定した場合、95%信頼水準で $|V_{tb}| > 0.78$ の下限が確立された。
• 主な系統的不確実性は、ジェットエネルギースケール $\eta$-インターリケーテーションおよび $t$-チャンネルジェネレータモデル化に起因し、合計不確実性の $\pm 14\%$ に顕著に寄与した。