[論文レビュー] Measurement of the production of a $W$ boson in association with a charmed hadron in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13\,\mathrm{TeV}$ with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 111被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて、√s = 13 TeVのpp衝突で得られた140 fb⁻¹のデータにおいて、charmバリオン（D⁺およびD*⁺）と関連して生成されるWボソンの精度測定を提示する。再構成された二次頂点およびレプトンの運動量を用いたプロファイル尤度フィットにより、断片的断面積が測定され、W⁻+D⁺に対して50.2 ± 0.2（統計）⁺².⁴₋².³ pbの値が得られた。この結果は、NLO QCD予測と整合的であり、s–s̄ クォーク海の非対称性が小さいことを示唆している。

ABSTRACT

The production of a $W$ boson in association with a single charm quark is studied using 140 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13\,\mathrm{TeV}$ proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The charm quark is tagged by a charmed hadron, reconstructed with a secondary-vertex fit. The $W$ boson is reconstructed from an electron/muon decay and the missing transverse momentum. The mesons reconstructed are $D^{\pm} o K^\mp \pi^\pm \pi^\pm$ and $D^{*\pm} o D^{0} \pi^\pm o (K^\mp \pi^\pm) \pi^\pm$, where $p_{ ext{T}}(e, \mu) > 30\,\mathrm{GeV}$, $|\eta(e, \mu)| < 2.5$, $p_{ ext{T}}(D) > 8\,\mathrm{GeV}$, and $|\eta(D)| < 2.2$. The integrated and normalized differential cross-sections as a function of the pseudorapidity of the lepton from the $W$ boson decay, and of the transverse momentum of the meson, are extracted from the data using a profile likelihood fit. The measured fiducial cross-sections are $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{-}{+}D^{+}) = 50.2\pm0.2\,\mathrm{(stat.)}\,^{+2.4}_{-2.3}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{+}{+}D^{-}) = 48.5\pm0.2\,\mathrm{(stat.)}\,^{+2.3}_{-2.2}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{-}{+}D^{*+}) = 51.1\pm0.4\,\mathrm{(stat.)}\,^{+1.9}_{-1.8}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, and $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{+}{+}D^{*-}) = 50.0\pm0.4\,\mathrm{(stat.)}\,^{+1.9}_{-1.8}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$. Results are compared with the predictions of next-to-leading-order quantum chromodynamics calculations performed using state-of-the-art parton distribution functions. The ratio of charm to anti-charm production cross-sections is studied to probe the $s$-$\bar{s}$ quark asymmetry and is found to be $R_c^\pm = 0.971\pm0.006\,\mathrm{(stat.)}\pm0.011\,\mathrm{(syst.)}$.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVのpp衝突におけるD⁺およびD*⁺メソンと関連して生成されるWボソンの断片的断面積を測定すること。
• charmクォークと対称クォークの生成比を調べることで、奇妙クォークの一部布関数（PDF）を調べること。
• 高精度のLHCデータを用いて、陽子内のs–s̄ クォーク海対称性の妥当性を検証すること。
• 明確でよくモデル化された最終状態であるW+D(∗)生成を分析することで、奇妙クォークPDFに対する制約を強化すること。

提案手法

• 二次頂点フィッティングを用いて、D⁺ → K⁻π⁺π⁺およびD*⁺ → D⁰π⁺ → (K⁻π⁺)π⁺の崩壊を再構成する。
• 電子またはミュオンへのレプトン的崩壊および消失した横方向運動量を用いて、Wボソンを特定する。
• D(∗)候補のインバリアント質量とW崩壊レプトンの運動量を用いた、プロファイル条件付き尤度フィットにより信号生成率を抽出する。
• 反対符号および同一符号レプトンペアの性質を利用したOS–SS差し引き法により、マルチジェット背景を抑制する。
• レプトンの走査度およびD(∗)メソンの横方向運動量に関する微分断面積を、全フィットにより抽出する。
• データ駆動およびシミュレーションベースの推定値から得られる事前フィットのずれパラメータおよび共分散行列を用いて、系arness誤差を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVのpp衝突におけるW⁻+D⁺生成の全断片的断面積は何か？
• RQ2 最新の部分布関数を用いたNLO QCD予測と比較して、測定されたW+D(∗)断面積はどの程度一致するか？
• RQ3 W+D(∗)イベントにおけるcharmクォークと対称クォークの生成比は何か？これはs–s̄ クォーク海非対称性にどのような含意を持つか？
• RQ4 W+D(∗)最終状態は、以前の測定と比較して、奇妙クォークPDFに対する制約をどのように改善できるか？

主な発見

• W⁻+D⁺の測定断片的断面積は50.2 ± 0.2（統計）⁺².⁴₋².³ pbであり、NLO QCD予測と整合的である。
• W⁺+D⁻の断面積は48.5 ± 0.2（統計）⁺².³₋².² pbであり、理論的期待値と良好に一致している。
• charm対対称クォーク生成比はR±c = 0.971 ± 0.006（統計）± 0.011（系arness）として測定され、s–s̄ 非対称性が小さいことを示唆している。
• 結果は、s–s̄ クォーク海分布が対称であると仮定したPDFセットと整合的であり、関連するBjorken-x領域における非対称性が小さい可能性を示唆している。
• レプトンの走査度およびD(∗)の横方向運動量に関する微分断面積が高精度で抽出され、検証に用いられた。
• 将来のPDFグローバルフィットのため、統計誤差と系arness誤差の共分散行列が併合して提供された。