[論文レビュー] Measurement of the inclusive cross sections for W and Z boson production in proton-proton collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 5.02 and 13 TeV

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan+2336 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、2017年CMSデータから得られた298 pb⁻¹および206 pb⁻¹の統合 luminosityを用いて、√s = 5.02 TeVおよび13 TeVにおける陽子-陽子衝突における包含的WおよびZボソン生成断面積の高精度測定を報告する。系統的不確かさが低減された結果は、NNLO QCD予測と非常に良好に一致しており、両エネルギーにおける断面積比が含まれており、陽子のパートン分布関数（PDFs）に対する厳密な制約を与える。

ABSTRACT

Measurements of fiducial and total inclusive cross sections for W and Z boson production are presented in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 5.02 and 13 TeV. Electron and muon decay modes ($ell$ = e or$\mu$) are studied in the data collected with the CMS detector in 2017, in dedicated runs with reduced instantaneous luminosity. The data sets correspond to integrated luminosities of 298 $\pm$ 6 pb$^{-1}$ at 5.02 TeV and 206 $\pm$ 5 pb$^{-1}$ at 13 TeV. Measured values of the products of the total inclusive cross sections and the branching fractions at 5.02 TeV are $\sigma$(pp $ o$ W+X)$\mathcal{B}$(W $ o$$\ell u$) = 7300 $\pm$ 10 (stat) $\pm$ 60 (syst) $\pm$ 140 (lumi) pb, and $\sigma$(pp $ o$ Z+X)$\mathcal{B}$(Z $ o$$\ell^+\ell^-$) = 669 $\pm$ 2 (stat) $\pm$ 6 (syst) $\pm$ 13 (lumi) pb for the dilepton invariant mass in the range of 60-120 GeV. The corresponding results at 13 TeV are 20480 $\pm$ 10 (stat) $\pm$ 170 (syst) $\pm$ 470 (lumi) pb and 1952 $\pm$ 4 (stat) $\pm$ 18 (syst) $\pm$ 45 (lumi) pb. The measured values agree with cross section calculations at next-to-next-to-leading-order in perturbative quantum chromodynamics. Fiducial and total inclusive cross sections, ratios of cross sections of W$^+$ and W$^-$ production as well as inclusive W and Z boson production, and ratios of these measurements at 5.02 and 13 TeV are reported.

研究の動機と目的

• √s = 5.02 TeVおよび13 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるWおよびZボソン生成の全断面積および有効断面積を測定すること。
• pTmissおよびレプトン分離度を向上させた専用の低 luminosity ランにより、系統的不確かさを低減すること。
• 5.02 TeVおよび13 TeVにおけるW⁺/W⁻および包含的W/Z生成断面積比を比較すること。
• 陽子のパートン分布関数（PDFs）を制約するための高精度データを提供すること。
• QCDにおける次々次の項（NNLO）および電弱相互作用における次々次の項（NLO）補正の理論的予測を検証すること。

提案手法

• データは、2017年に実施された専用ランにおいて、CMS検出器を用いて収集された。インスタントラス luminosity は、5.02 TeVで1.3×10³³ cm⁻²s⁻¹、13 TeVで2.5×10³³ cm⁻²s⁻¹であった。
• W → ℓνおよびZ → ℓ⁺ℓ⁻のレプトン崩壊（ℓ = e, μ）は、粒子フロー法と完全なイベント再構成を用いて再構成された。
• 信号過程にはNLO QCDシミュレーションを用い、MADGRAPH5_aMC@NLOを用いて、背景過程（二ボソン、トップ、Drell-Yan）も含めた。
• 検出器の応答はGEANT4を用いてシミュレートされ、積層（pileup）相互作用はPYTHIA 8.230のCP5チューニングを用いてシミュレーションに組み込まれた。
• 系統的不確かさは、制御領域、キャリブレーション手法、および運動量スケール、エネルギー分解能、分離度効率に関する専用の研究を用いて評価された。
• 断面積は、二レプトンおよび欠損横運動量分布の同時フィットを用いて抽出され、luminosity 不確かさは専用のluminosity 測定から導出された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5.02 TeVにおける包含的WおよびZボソン生成断面積は、13 TeVにおけるものと比べて、絶対値および比の観点でどのように異なるか？
• RQ2 測定された断面積は、NNLO QCDおよびNLO電弱予測とどの程度一致しているか？
• RQ3 断面積測定の精度はどの程度で、前回の結果と比較して系統的不確かさはどのように変化しているか？
• RQ4 5.02 TeVと13 TeVにおけるW⁺/W⁻およびW/Z生成断面積比は、どのように変化するか？
• RQ5 これらの測定は、陽子のパートン分布関数（PDFs）にどのような制約を与えるか？

主な発見

• 5.02 TeVにおいて、W⁺生成の全断面積と分支比の積は、σ(pp → W⁺ + X) × B(W⁺ → ℓν) = 7300 ± 10 (統計) ± 60 (系統) ± 140 (luminosity) pb であった。
• 5.02 TeVにおいて、Zボソン生成の対応する値は、σ(pp → Z + X) × B(Z → ℓ⁺ℓ⁻) = 669 ± 2 (統計) ± 6 (系統) ± 13 (luminosity) pb であり、二レプトン質量は60–120 GeVの範囲内であった。
• 13 TeVにおいて、対応する値は、W⁺について20480 ± 10 (統計) ± 170 (系統) ± 470 (luminosity) pb、Zボソンについて1952 ± 4 (統計) ± 18 (系統) ± 45 (luminosity) pb であった。
• 測定された断面積は、不確かさの範囲内でNNLO QCD予測と一致しており、高精度での理論フレームワークの妥当性が裏付けられた。
• 5.02 TeVにおけるW⁺/W⁻生成比およびW/Z断面積比は、以前の結果と比較して、より高い精度で測定された。
• 5.02 TeVおよび13 TeVにおける断面積比が報告され、エネルギー依存性の直接比較およびPDF制約への応用が可能となった。