[論文レビュー] Measurement of the mass dependence of the transverse momentum of lepton pairs in Drell-Yan production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2359 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CMSが収集した36.3 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、Drell-Yanレプトン対の横運動量（pT）依存性を高精度で測定した。φ∗ηを低pT(ℓℓ)の頑健な代理変数として導入し、インヴァリアント質量の範囲を1 TeVまで拡張した。微分断面積のZボソンピーク領域への比を報告することで、系境的不確実性を低減し、微小摂動的QCDおよびソフトグルーオンの再結合モデルに対する厳密なテストを提供した。

ABSTRACT

The double differential cross sections of the Drell-Yan lepton pair ($\ell^+\ell^-$, dielectron or dimuon) production are measured as functions of the invariant mass $m_{\ell\ell}$, transverse momentum $p_\mathrm{T}(\ell\ell)$, and $\phi^*_\eta$. The $\phi^*_\eta$ observable, derived from angular measurements of the leptons and highly correlated with $p_\mathrm{T}(\ell\ell)$, is used to probe the low-$p_\mathrm{T}(\ell\ell)$ region in a complementary way. Dilepton masses up to 1 TeV are investigated. Additionally, a measurement is performed requiring at least one jet in the final state. To benefit from partial cancellation of the systematic uncertainty, the ratios of the differential cross sections for various $m_{\ell\ell}$ ranges to those in the Z mass peak interval are presented. The collected data correspond to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Measurements are compared with predictions based on perturbative quantum chromodynamics, including soft-gluon resummation.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における、Drell-Yanレプトン対の二重微分断面積を、インヴァリアント質量（mℓℓ）および横運動量（pT(ℓℓ)）の関数として測定すること。
• Zボソン共鳴領域を超えて、mℓℓの範囲を1 TeVまで拡張し、QCD予測の改善されたテストを可能にすること。
• 低pT(ℓℓ)領域を精密に探査するため、pT(ℓℓ)の代替として高分解能なφ∗η観測量を採用すること。
• Zピーク領域（80–90 GeV）における異なるmℓℓチャンネルの断面積比を提示することで、共通の系境的不確実性を低減すること。
• 初期状態放射とジェット誘発寄与がpT(ℓℓ)に与える影響を調査するため、少なくとも1本のジェットを含むイベントを含めること。

提案手法

• 分析には、CMS検出器が√s = 13 TeVで収集した36.3 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データが使用された。
• φ∗η変数は、二重レプトン系の静止系における横方向の開口角（∆φ）と散乱角（θ∗η）から計算され、φ∗η = tan[(π − ∆φ)/2] × sin(θ∗η) で定義される。
• 横運動量pT(ℓℓ)は、2つのレプトンの4元運動量から再構築され、主にレプトン運動量の不確実性に支配される。
• 統計的精度の向上と系境的不確実性の低減を図るため、電子チャンネルとミューオンチャンネルを組み合わせた。
• 検出器効果を補正するためにアンフォールディング手順が適用され、系境的不確実性は制御サンプルとシミュレーションの比較を用いて評価された。
• Zピーク領域（80–90 GeV）に対する、さまざまなmℓℓチャンネルにおける微分断面積比が提示され、共通の系境的不確実性が抑制された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける、Drell-Yanレプトン対の横運動量スペクトルは、広いインヴァリアント質量範囲（50 GeVから1 TeV）でどのように変化するか？
• RQ2 φ∗η観測量は、直接的なpT(ℓℓ)測定と比較して、低pT(ℓℓ)領域をどれほど高精度に探査できるか？
• RQ3 次-leading-order（NLO）およびソフトグルーオン再結合予測は、さまざまなmℓℓ領域における測定されたpT(ℓℓ)およびφ∗ηスペクトルをどの程度よく再現するか？
• RQ4 初期状態放射およびジェット活動は、Drell-YanイベントにおけるpT(ℓℓ)分布にどのような影響を与えるか？
• RQ5 さまざまなmℓℓチャンネルにおける断面積比がZピーク領域に与える影響は、測定の精度向上と系境的不確実性低減にどのように寄与するか？

主な発見

• Drell-Yanレプトン対の測定された二重微分断面積は、50 GeVから1 TeVまでの14のインヴァリアント質量チャンネルで提示され、全範囲で高精度であった。
• φ∗η観測量は低pT(ℓℓ)領域で優れた分解能を示し、再結合が不可欠となるソフトグルーオン領域の詳細な探査が可能になった。
• Zピーク領域への断面積比は、多くのチャンネルで1%未満の系境的不確実性を示し、理論的予測への感受性が向上した。
• データは、ソフトグルーオン再結合を含むNLO pQCD計算と良好に一致しており、特に再結合効果が支配的な低pT(ℓℓ)領域で顕著であった。
• 包括的サンプルでは、pT(ℓℓ)スペクトルは高pTで明確な上昇を示し、固定順序QCD予測と整合的であった。
• 1本のジェットを含む最終状態では、複数のハードQCD発光による寄与のおかげで、低pT領域におけるpT(ℓℓ)スペクトルが強化されており、ジェットタグ付きイベントの初期状態放射への感受性が確認された。