[論文レビュー] Measurement of the total and differential cross-sections of $ t\overline{t}W $ production in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2929 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 111被引用数 2

ひとこと要約

この論文は、2015年から2018年にかけてATLAS検出器が収集した140 fb$^{-1}$のデータを用いて、陽子-陽子衝突におけるトップクォーク対とWボソンを同時に生成する過程（$t\bar{t}W$）の全断面積および微分断面積を初めて測定した。包含的断面積は$880 \pm 80$ fbと測定され、NNLO理論予測の$745 \pm 50$ fbと良好に一致しており、電荷非対称性を含むさまざまな観測量において、複数の理論モデルと一貫した挙動を示している。

ABSTRACT

Measurements of inclusive and differential production cross-sections of a top-quark-top-antiquark pair in association with a $W$ boson ($t\bar{t}W$) are presented. They are performed by targeting final states with two same-sign or three isolated leptons (electrons or muons) and are based on $\sqrt{s}=13$ TeV proton-proton collision data with an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$, recorded from 2015 to 2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The inclusive $t\bar{t}W$ production cross-section is measured to be $880 \pm 80$ fb, compared to a reference theoretical prediction of $745 \pm 50\, extrm{(scale)} \pm 13\, extrm{(2-loop approx.)} \pm 19\, extrm{(PDF,} α_{ extrm{S}})$ fb. Differential cross-section measurements characterise this process in detail for the first time. Several particle-level observables are compared with a variety of theoretical predictions, which generally agree well with the normalised differential cross-section results. Additionally, the relative charge asymmetry of $t\bar{t}W^{+}$ and $t\bar{t}W^{-}$ is measured inclusively to be ${A_{\mathrm{C}}^{\mathrm{rel}}} = 0.33 \pm 0.05$, in very good agreement with the theoretical prediction of $0.322 \pm 0.003\,\mathrm{(scale)} \pm 0.007\,\mathrm{(PDF)}$, as well as differentially.

研究の動機と目的

• 標準模型を高精度でテストするため、$\sqrt{s} = 13$ TeVにおける$pp$衝突における$t\bar{t}W$の包含的および微分断面積を測定すること。
• NNLO QCDおよびNLO電弱補正を含む高度な理論予測とデータの整合性を評価すること。
• $t\bar{t}W^+$および$t\bar{t}W^-$最終状態の相対的電荷非対称性を測定し、CP奇性効果および新しい物理を探る。
• $t\bar{t}W$モデルの不確実性を低減すること。これは、レアトップおよびヒッグス物理学探索における重要なバックグラウンドである。
• LHCにおける$t\bar{t}W$生成の初の微分断面積測定を提供し、理論モデルとの詳細な比較を可能にする。

提案手法

• 2015年から2018年にかけてATLAS検出器が収集した$\sqrt{s} = 13$ TeVの$pp$衝突データ140 fb$^{-1}$を用いる。
• 2つの同符号または3つの分離したレプトン（電子またはミューオン）を含む最終状態を標的とし、$t\bar{t}W$イベントを特定する。
• トップクォーク、Wボソン、およびジェットの再構築と選別には、高度な多次元および運動論的技術を用いる。
• 制御領域および信号領域における信号およびバックグラウンド寄与の同時フィットにより、包含的断面積を抽出する。
• 微分断面積は、トップクォークの横運動量や$t\bar{t}W$のインヴァリアント質量などの運動論的観測量の関数として、正規化形で測定する。
• 相対電荷非対称性$A^\text{rel}_C$は、イベントレベルの再構築と選別を用いて、$t\bar{t}W^+$と$t\bar{t}W^-$の生成率の比から抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 包含的$t\bar{t}W$生成断面積は$\sqrt{s} = 13$ TeVでどのくらいか？ また、NNLO理論予測とどのように比較されるか？
• RQ2 理論モデルは、さまざまな運動論的観測量における$t\bar{t}W$生成の微分分布をどの程度よく記述しているか？
• RQ3 測定された相対電荷非対称性$A^\text{rel}_C$はどの程度か？ また、標準模型の予測と比較するとどうなるか？
• RQ4 異なるモンテカルロジェネレータは、データにおける正規化微分断面積をどの程度再現しているか？
• RQ5 QCDおよび電弱補正は$t\bar{t}W$生成メカニズムにどの程度寄与しており、それらは一貫してモデル化されているか？

主な発見

• 包含的$t\bar{t}W$生成断面積は$880 \pm 80$ fbと測定され、NNLO理論予測の$745 \pm 50$ fbと一致している。
• 測定された相対電荷非対称性$A^\text{rel}_C$は$0.33 \pm 0.05$であり、標準模型予測の$0.322 \pm 0.003$（スケール）$\pm 0.007$（PDF）と非常に良好に一致している。
• トップクォークの横運動量および$t\bar{t}W$インヴァリアント質量を含む、複数の観測量における正規化微分断面積が測定され、理論予測と良好に一致している。
• シェルパ予測とデータの整合性は、ほぼすべての観測量で$\chi^2$ $p$-値が0.3より大きいことから確認され、モデルとデータの整合性が良好であることが示された。
• NLO電弱補正は$\sigma(t\bar{t}W)$予測に正の4.9%の補正を寄与させており、$tW$散乱および実際の放射線図の寄与も含まれる。
• 本研究は、LHCにおける$t\bar{t}W$生成の初の微分測定を提供し、稀物理探索におけるこの重要なバックグラウンドのモデリング精度を著しく向上させた。