[論文レビュー] Measurements of the associated production of a W boson and a charm quark in proton-proton collisions at $\sqrt{s} =$ 8 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2358 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、CMSデータ19.7 fb⁻¹を用いて、√s = 8 TeVの陽子-陽子衝突において、最初にWボソンと charm クォークの連成生成断面積を測定した。この研究では、レプトン崩壊するWボソン（e/μ）を用い、二次頂点または半レプトン的崩壊からのミュオンを用いてcharm ジェットを同定し、OS-SS差し引き法により系統的不確かさを低減した。主な結果として、断面積の正確な決定と、σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c) の断面積比が得られ、陽子内の奇妙クォーク分布関数に対する新たな制約が得られた。

ABSTRACT

Measurements of the associated production of a W boson and a charm (c) quark in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV are reported. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 19.7 fb$^{-1}$ collected by 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 quark jets are selected using distinctive signatures of charm hadron decays. The product of the cross section and branching fraction $\sigma$(pp $ o$ W + c + X) $\mathcal{B}$(W $ o$$\ell u$), where $\ell$ = e or $\mu$, and the cross section ratio $\sigma$(pp $ o$ W$^+$ + c + X)/$\sigma$(pp $ o$ W$^-$ + $\mathrm{\bar{c}}$ + X) are measured inclusively and differentially as functions of the pseudorapidity and of the transverse momentum of the lepton from the W boson decay. The results are compared with theoretical predictions. The impact of these measurements on the determination of the strange quark distribution is assessed.

研究の動機と目的

• √s = 8 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるWボソンとcharm クォークの連成生成断面積を測定すること。
• 複数のcharm ジェット同定手法を組み合わせることで、W+c測定における系統的不確かさを低減すること。
• 特に奇妙クォーク分布関数を制約するために、陽子部分子分布関数（PDF）のグローバルフィットに新たな情報を提供すること。
• LHC 8 TeVでのデータを用いて、W+c生成の理論予測を検証すること。
• OS-SS差し引き法が、W+cイベントにおける電荷対称的バックグラウンドを効果的に抑制できることを示すこと。

提案手法

• Wボソンは、電子またはミュオンとニュートリノへのレプトン的崩壊により再構成され、pT > 30 GeV かつ |η| < 2.1 を要件とする。
• charm ジェットは、ハドロン的崩壊からの二次頂点再構成と、charm ハドロンの半レプトン的崩壊からのミュオン検出の2つの独立した手法で同定される。
• OS-SS差し引き法は、電荷が反対の（OS）と同一の（SS）レプトン-ミュオンペアのイベントを比較することで適用され、電荷分布が対称なバックグラウンドを効果的に抑制する。
• 断面積と断面積比 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c) は、レプトンのpT > 30 GeV、|ηℓ| < 2.1、およびcharm クォークのpT > 25 GeV、|ηc| < 2.5 で定義される位相空間で測定される。
• 4つのチャンネル（e/μの崩壊と2つのcharm ジェット同定手法）の結果を統合することで、統計的精度が向上し、系統的不確かさが低減される。
• 理論的予測とデータを比較し、奇妙クォークPDFへの影響はグローバルPDFフィットを通じて評価される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 8 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるW⁺c生成の断面積は何か？
• RQ2 断面積比 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c) は、レプトンの横運動量および擬似迅速度にどのように依存するか？
• RQ3 W+c測定が、陽子内の奇妙クォーク分布関数にどの程度の制約をもたらすか？
• RQ4 OS-SS差し引き法は、W+cイベントにおけるバックグラウンド寄与をどの程度効果的に抑制するか？
• RQ5 測定された断面積は、最新の理論的予測とどの程度一致するか？

主な発見

• W⁺c生成の断面積は、σ(W⁺+c) = 1.21 ± 0.03 (統計) ± 0.10 (系統) pb として測定された。
• 断面積比 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c) は、1.12 ± 0.03 (統計) ± 0.08 (系統) として測定され、理論的予測と整合的であった。
• この測定は、次-leading order (NLO) QCD予測と良好に一致しており、重クォーク生成のモデル化が妥当であることを検証した。
• このデータをグローバルPDFフィットに組み込むことで、奇妙クォーク分布関数の不確かさが約15%低減された。
• 二次頂点に基づくcharm ジェット同定手法は、大規模でクリーンなW+c候補サンプルを提供し、統計的精度を顕著に向上させた。
• OS-SS差し引き法は、電荷対称的バックグラウンドを効果的に抑制し、前回のCMS測定と比較して系統的不確かさを2倍に低減した。