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

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2359 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 62被引用数 1

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W + c クォーク生成断面積の高精度測定を提示する。OS-SS差し引き法と、ミューオンおよび二次仮想頂点を用いた高度なcクォークタグギングを採用することで、R±c比の精度が1%に達し、R±c = 0.950 ± 0.005（統計）± 0.010（系）を測定した。この結果は、奇妙クォークの一部布関数（PDF）に対する重要な制約を与え、NNLO QCD予測の検証を可能にする。

ABSTRACT

The strange quark content of the proton is probed through the measurement of the production cross section for a W boson and a charm (c) quark in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected with the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm jets are tagged using the presence of a muon or a secondary vertex inside the jet. The W+c production cross section and the cross section ratio $R^\pm_ ext{c}$ = $\sigma$(W$^+$+$\bar{ ext{c}}$)/$\sigma$(W$^-$+$ ext{c}$) are measured inclusively and differentially as functions of the transverse momentum and the pseudorapidity of the lepton originating from the W boson decay. The precision of the measurements is improved with respect to previous studies, reaching 1% in $R^\pm_ ext{c}$. The measurements are compared with theoretical predictions up to next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突における、包括的および微分的W + c生成断面積を、より高い精度で測定すること。
• R±c = σ(W+ + c)/σ(W− + c)比を用いて、陽子の奇妙クォーク部分布関数（PDF）を制約すること。
• QCDにおける次々に高次の項（NNLO）およびNLO電弱補正までの理論予測を検証すること。
• モンテカルロイベントジェネレータの妥当性を検証し、Wボソンおよびcクォークを含む最終状態のキャリブレーションを改善すること。

提案手法

• 本分析は、CMS検出器が収集した、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突における138 fb⁻¹の統合した放射能を用いる。
• Wボソンは、電子またはミューオンへのレプトン的崩壊およびニュートリノを介した崩壊によって特定される。
• charmクォークは、ジェット内における二次仮想頂点または分離したミューオンを用いてタグされる。
• OS-SS差し引き法により、Wボソンとcクォークの電荷の異符号（OS）と同符号（SS）の組み合わせを比較することで、背景を抑制する。
• 測定は、レプトンに対してpT > 35 GeVおよび|η| < 2.4、cジェットに対してpT > 30 GeVおよび|η| < 2.4である、フィデューシャル位相空間内での粒子レベルおよび部分布レベルにアンフォールドされる。
• 理論的比較は、複数のPDFセット（例：CT18、MMHT2014、NNPDF3.2）を用いたNNLO QCD計算およびNLO予測と行われる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける包括的および微分的W + c生成断面積は、どの程度の高い精度で測定可能か？
• RQ2 R±c比はどの程度の精度で測定可能であり、sとs̄クォークPDFの非対称性に関する何を明らかにするか？
• RQ3 NNLO QCD予測は、測定された断面積およびR±c比をどの程度正確に記述できるか？
• RQ4 現在のモンテカルロイベントジェネレータは、データと比較してW + c生成をどの程度正確にモデル化しているか？

主な発見

• R±c比は1%の精度で測定され、R±c = 0.950 ± 0.005（統計）± 0.010（系）を達成した。これは、以前のCMS測定と比較して不確実性が50%低減されたものである。
• 測定されたR±c値は、NNLO QCD精度の理論的予測と整合しており、奇妙クォークPDFの現在の理解を支持する。
• フィデューシャル位相空間内での包括的W + c断面積が測定され、検出器効果を最小限に抑えるために部分布レベルにアンフォールドされた結果が得られた。
• レプトンの横断的運動量および擬似迅速度に関する微分断面積が、高い統計的および系統的精度で報告された。
• OS-SS差し引き法は、トップクォークやW + cc生成といった主要なQCD背景を効果的に抑制した。
• 本結果は、NNLO QCD計算に対する厳密なテストを提供し、特にs̄クォークに対する奇妙クォークPDFの非対称性に関する制約を強化した。