[論文レビュー] Measurement of the production cross section for W- and Z-bosons in association with jets in ATLAS

Stefan Ask|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いた33 pb⁻¹のデータから、√s = 7 TeVにおけるW⁺/W⁻およびZボソンとジェットの連関生成の初回測定を報告する。微分断面積はジェット多重度、ジェットの横運動量、およびHT（全横運動量のスカラー和）の関数として示され、W + 3ジェット断面積の次-leading order (NLO) QCD計算との初回比較が行われ、NLOおよびマルチパートオン行列要素予測と良好な一致を示す一方、LO + パートンシャワーモデルでは1つのジェットを超える領域で顕著な不一致が見られる。

ABSTRACT

We report on the measurements of inclusive W+jets and Z+jets cross sections in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector. Cross sections, in both the electron and muon decay modes of the bosons, are presented as a function of jet multiplicity, the transverse momentum of the jets and the quantity HT which is the scalar sum of the pT in the event. Measurements are also presented of the ratios of cross sections. The measured cross sections are compared to different particle-level predictions, based on perturbative QCD, where the measured W+3jet cross section is for the first time compared with next-to-leading order calculations.

研究の動機と目的

• ATLAS検出器を用いて、√s = 7 TeVにおけるジェットと連関する包括的W⁺/W⁻およびZボソン生成断面積を測定すること。
• 複数の運動量変数を通じて、データとNLO、NNLO、およびパートンシャワーのシミュレーションを比較することにより、摂動的QCD予測の検証を行うこと。
• W/Zボソンと連関するマルチジェット最終状態をモデル化する際のモンテカルロジェネレータ（MCFM、Alpgen、Sherpa、Pythia）の信頼性を評価すること。
• ビンごとのアンフォールディング手法を用いて、検出器効果を補正した高精度な断面積測定を提供すること。
• トップクォークおよび新しい物理探索に使用するため、背景および不確実性（特にジェットエネルギースケール、ピルアップ、およびランプ）を定量化すること。

提案手法

• ATLAS検出器を用いて、√s = 7 TeVにおける陽子-陽子衝突から得られた、33 pb⁻¹の統合放射線量のデータ収集。
• pT > 20 GeV、|η| < 2.5（電子）または |η| < 2.4（ミュオン）の孤立したレプトン（e, μ）と、pT > 20または30 GeV、|η| < 2.8のジェットを用いたイベント選択。
• R = 0.4のアンチ-kTアルゴリズムを用いたジェット再構築と、重ね合わせ寄与を抑制するためのΔR(ℓ, jet) > 0.5の要件。
• QCD背景はデータ駆動型手法により推定し、電弱およびトップ過程の背景はモンテカルロ法により推定。W/jetsでは10%未満、Z/jetsでは5%未満の汚染。
• 検出器効果は、同じ運動量領域での理論予測とデータを比較できるように、ビンごとのアンフォールディング手法を用いて補正。
• 理論的予測にはNLO（MCFM、Blackhat–Sherpa）、NNLO（FEWZ）、およびパートンシャワー・モデル（Pythia、Alpgen、Sherpa）が含まれる。これらはすべて、τ > 10 psの最終状態粒子にマッチングされている。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ジェット多重度およびpTにわたる測定済みのW⁺/W⁻およびZボソン + ジェット微分断面積は、NLO QCD予測とどのように一致するか？
• RQ2 特に高多重ジェット領域において、パートンシャワー・モデル（例：Pythia）はLOを超えるW/Z + ジェット生成をどれほど正確に記述できるか？
• RQ3 NLOでのW + 3ジェット断面積の初回実験的測定は何か、そして理論的予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 断面積はスカラー和の横運動量（HT）にどのように依存するか。これはプロセスのハードスケールについて何を示唆するか？
• RQ5 これらの高多重ジェット測定における主要な系統的不確実性要因は何か。それらは精度にどのように影響するか？

主な発見

• √s = 7 TeVにおける測定済みのW + 3ジェット断面積は、NLO計算と初めて比較され、Blackhat–Sherpa予測と良好な一致を示した。
• ジェット多重度に応じたZ → ee断面積は、NLO（MCFM）およびマルチパートオン行列要素（Alpgen、Sherpa）予測と非常に良好に一致した。
• LO + パートンシャワーのシミュレーション（Pythia）は、1つのジェットを超えるイベントではデータと著しく不一致を示した。これは、不十分な位相空間カバレッジおよび誤ったハードジェットモデル化に起因する。
• 主ジェットpTおよび2番目に高いジェットpTに応じた微分断面積は、電子およびミュオンチャンネルの両方で、データとNLOおよびMEベースのMC予測の間で一貫した一致を示した。
• HT（ジェット、レプトン、ニュートリノからのpTのスカラー和）に応じた断面積は、W → μνチャンネルの1〜4ジェットイベントにおいて、データとMC予測の間で良好な一致を示した。
• 系統的不確実性は、ジェットエネルギースケール（約10%）が支配的であり、次にピルアップ補正（約5%）およびランプ（約4%）が続く。