[論文レビュー] Measurement of the inclusive $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ cross section in final states with at least one lepton and additional jets with 302 pb$^{−1}$ of pp collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 5.02 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, A.+2399 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、2017年11月に実施された低積み重ね（low-pileup）LHCラン中におけるCMS実験が収集した302 pb⁻¹のデータを用いて、√s = 5.02 TeVの陽子-陽子衝突におけるトップクォーク対（tt̄）生成断面積の高精度な測定を報告する。1つのレプトンと複数のジェット（bタグ付きジェットを含む）をもつイベントにおいて、信号と背景を分離するために多次元解析を適用した結果、測定された断面積は62.5 ± 1.6（統計）⁺².⁶₋².⁵（系誤差）± 1.2（ランプ）pbであり、これはNNLOにおける標準模型（SM）予測の69.5⁺³.⁵₋³.⁷ pbと良好に一致している。

ABSTRACT

A measurement of the top quark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$) production cross section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV is presented. The data were collected at the LHC in autumn 2017, in dedicated runs with low-energy and low-intensity conditions with respect to the default configuration, and correspond to an integrated luminosity of 302 pb$^{-1}$. The measurement is performed using events with one electron or muon, and multiple jets, at least one of them being identified as b quark (b tagged). Events are classified based on the number of all reconstructed jets and of b-tagged jets. Multivariate analysis techniques are used to enhance the separation between the signal and backgrounds. The measured cross section is 62.5 $\pm$ 1.6 (stat) $^{+2.6}_{-2.5}$ (syst) $\pm$ 1.2 (lumi) pb. A combination with the result in the dilepton channel based on the same data set yields a value of 62.3 $\pm$ 1.5 (stat) $\pm$ 2.4 (syst) $\pm$ 1.2 (lumi) pb, to be compared with the standard model prediction of 69.5$^{+3.5}_{-3.7}$ pb at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

研究の動機と目的

• 2017年11月に実施された低積み重ねLHCラン中に収集されたデータを用いて、√s = 5.02 TeVの陽子-陽子衝突における全般的なトップクォーク対生成断面積を測定すること。
• 多次元解析技術を用いて、1つのレプトンと複数のジェット（bタグ付きジェットを含む）を含むイベントを分析することで、精度を向上させること。
• 統計的精度を高めるために、単一レプトンおよび二重レプトン最終状態の結果を統合すること。
• 量子色力学（QCD）における次々次の精度（NNLO）での標準模型（SM）予測のtt̄断面積をテストすること。
• 高精度な断面積測定を通じて、一部子分布関数（PDF）を制約し、潜在的な新物理を探索すること。

提案手法

• 2017年11月に実施された低強度LHCラン中に収集された、√s = 5.02 TeVのpp衝突データ（302 pb⁻¹）。
• イベント選別には、1つの電子またはミューオン、4個以上のジェット、および少なくとも1つのbタグ付きジェットを要件とし、tt̄信号の感度を向上させる。
• 主な背景（W+jets や Drell-Yan）とtt̄信号を区別するために、多次元解析技術（例：行列要素法やブーストされた意思決定木）を用いる。
• 複数のイベントカテゴリにわたる同時最尤フィットを実行し、断面積を抽出するとともに、同時に系統的誤差を制約する。
• 信号および制御領域をモデル化するために、tt̄にはPOWHEG（NLO）、背景にはMADGRAPH5_aMC@NLO（NLO）を用いたモンテカルロシミュレーションを用いる。
• ジェットエネルギースケール、bタギング効率、レプトン再構成、積み重ね、およびランプに関する系統的誤差を評価し、カテゴリ間で完全な相関を考慮する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一レプトン＋ジェット最終状態を用いて、√s = 5.02 TeVのpp衝突におけるトップクォーク対生成断面積は何か？
• RQ2 測定された断面積は、QCDにおける次々次の精度（NNLO）での標準模型（SM）予測とどのように一致するか？
• RQ3 同じデータセットにおいて、単一レプトンおよび二重レプトン最終状態の測定結果を統合することで、どの程度の精度向上が達成されたか？
• RQ4 ジェットエネルギースケール、bタギング、レプトン再構成からの系統的誤差が、最終的な断面積結果にどの程度の影響を及ぼすか？
• RQ5 5.02 TeVにおける測定断面積が標準模型（SM）予測から逸脱しているかどうか、これは新物理の兆候またはPDF感度の反映である可能性があるか？

主な発見

• 単一レプトン＋ジェット最終状態における全般的なtt̄断面積の測定値は62.5 ± 1.6（統計）⁺².⁶₋².⁵（系誤差）± 1.2（ランプ）pbである。
• 二重レプトンチャンネルと組み合わせた結果、断面積は62.3 ± 1.5（統計）± 2.4（系誤差）± 1.2（ランプ）pbに改善され、統計的精度が向上した。
• 測定値は、pQCDにおけるNNLL再結合を伴うNNLOでの標準模型（SM）予測値69.5⁺³.⁵₋³.⁷ pbと整合的である。
• 主な系統的誤差はジェットエネルギースケールとbタギング効率に起因し、次にランプおよびレプトン再構成が続く。
• 平均積み重ねが2（低積み重ね）の環境は、標準LHC条件と比較して、イベント再構成の精度と背景抑制の両面で顕著な向上をもたらした。
• この結果は、一部子分布関数の厳密なテストを可能にし、このエネルギー領域における標準模型（SM）の整合性を支持する。