[論文レビュー] Observation of four top quark production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration|Institutional Repository University of Antwerp (University of Antwerp)|May 22, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 111被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、LHCのCMS実験で得られた138 fb$^{-1}$の統合光度を用いて、$√s} = 13$ TeVの陽子-陽子衝突において、四つのトップクォーク生成の初回観測を報告している。先進的なレプトンおよびbジャット識別技術に加え、機械学習を用いた洗練された多次元解析を採用することで、5.6標準偏差の有意水準に達し、$17.7^{+3.7}_{-3.5}\text{ stat}^{+2.3}_{-1.9}\text{ syst}$ fbの断面積を測定した。これは標準模型予測と整合的である。

ABSTRACT

The observation of the production of four top quarks in proton-proton collisions is reported, based on a data sample collected by the CMS experiment at a center-of-mass energy of 13 TeV in 2016-2018 at the CERN LHC and corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with two same-sign, three, or four charged leptons (electrons and muons) and additional jets are analyzed. Compared to previous results in these channels, updated identification techniques for charged leptons and jets originating from the hadronization of b quarks, as well as a revised multivariate analysis strategy to distinguish the signal process from the main backgrounds, lead to an improved expected signal significance of 4.9 standard deviations above the background-only hypothesis. Four top quark production is observed with a significance of 5.6 standard deviations, and its cross section is measured to be 17.7 $^{+3.7}_{-3.5}$ (stat) $^{+2.3}_{-1.9}$ (syst) fb, in agreement with the available standard model predictions.

研究の動機と目的

• 陽子-陽子衝突におけるレアな四つのトップクォーク生成過程（$\ttbar\ttbar$）を、$\sqrt{s} = 13$ TeVで観測すること。
• $\ttbar\ttbar$生成の感度を向上させるために、レプトンおよびbジャット識別技術を強化すること。
• 見直された機械学習に基づく多次元解析戦略を用いて、バックグラウンド寄与を低減し、信号の識別を向上させること。
• $\ttbar\ttbar$生成断面積を高精度で測定し、標準模型予測の検証および新しい物理の探査を行うこと。
• トップクォークのユカワ結合の補足的測定および、標準模型を超える物理現象に対する制約を提供すること。

提案手法

• 分析は、2016年から2018年の間に、$\sqrt{s} = 13$ TeVでCMS実験が収集した138 fb$^{-1}$の陽子-陽子衝突データを用いる。
• 信号感度を高めるために、2つの同符号、3つ、または4つの電荷を帯びたレプトン（電子およびミューオン）と追加のジェットを持つイベントを選別する。
• チャージドレプトンおよびbジャットの更新済み識別アルゴリズムを適用し、信号効率を向上させるとともに、誤識別を低減する。
• 機械学習技術に基づく多次元解析戦略を実装し、$\ttbar\ttbar$信号を$\ttbar\PW$および$\ttbar\PZ$などの主要なバックグラウンドから区別する。
• 信号断面積は、信号対バックグラウンドの分離に最適化された運動量分布に対するプロファイル尤度フィットを通じて抽出される。
• バックグラウンドはフィットで自由な正規化パラメータでモデル化され、$\ttbar\PW$および$\ttbar\PZ$寄与のデータ駆動的推定が可能になる。

Figure 2: Efficiency of selecting prompt leptons as a function of the misidentification probability for nonprompt leptons evaluated in simulated \ttbar events for the electron (red solid line) and muon (blue dashed line) ID BDT, shown for leptons with $10<\pt<25\GeV$ (left) and $\pt>25\GeV$ (right).

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 陽子-陽子衝突における四つのトップクォーク生成の統計的有意水準は、$\sqrt{s} = 13$ TeVでどの程度か？
• RQ2 向上したレプトンおよびbジャット識別技術は、$\ttbar\ttbar$信号の感度にどのように影響するか？
• RQ3 見直された多次元解析戦略は、信号対バックグラウンド分離をどの程度向上させるか？
• RQ4 測定された$\ttbar\ttbar$生成断面積は何か？ そして、標準模型予測と比較するとどうなるか？
• RQ5 この測定は、拡張されたヒッグス系や超対称性などの新しい物理のシナリオに制約を提供できるか？

主な発見

• $\ttbar\ttbar$生成過程は5.6標準偏差の有意水準で観測され、5σの観測閾値を上回っている。
• 測定された断面積は$17.7^{+3.7}_{-3.5}\text{ stat}^{+2.3}_{-1.9}\text{ syst}$ fbであり、標準模型予測の$13.4^{+1.0}_{-1.8}$ fbと整合的である。
• 向上した分析戦略（先進的なレプトンおよびbジャット識別を含む）により、期待される信号の有意水準は4.9標準偏差に上昇し、観測が可能になった。
• 機械学習に基づく多次元技術を用いることで、信号対バックグラウンドの分離が顕著に向上した。
• この結果は、トップクォークのユカワ結合の高精度な測定を提供し、標準模型を超える新しい物理の感受性の高いプローブとしても機能する。
• 観測結果は標準模型と整合しており、QCDおよび電弱理論の次-leading orderにおける現在の理論的予測の整合性を支持する。

Figure 3: Schematic representation of the event selection and categorization.