[논문 리뷰] A precise measurement of the Z-boson double-differential transverse momentum and rapidity distributions in the full phase space of the decay leptons with the ATLAS experiment at $\sqrt s$ = 8 TeV

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2930명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 66인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 8 TeV에서의 pp 충돌 데이터 20.2 fb⁻¹를 사용하여 쇄도 렙톤의 전역 위상공간에서 Z 보손 생성의 최초로 정밀한 이중미분 측정을 제시한다. 콜린스-소퍼 프레임에서의 각도 분해를 통해 정규화된 단면적의 정밀도가 백분율 이하에 도달하였으며, |y| < 2.0에서 0.5–1.0%의 불확도에서 시작하여 고속도에서 2–7%로 증가한다. 이는 최신의 양자 chromodynamics(QCD) 예측, 즉 N4LL 리스무메이션과 N3LO 고정순서 계산을 포함하여 양호한 일치를 보여준다.

ABSTRACT

This paper presents for the first time a precise measurement of the production properties of the Z boson in the full phase space of the decay leptons. This is in contrast to the many previous precise unfolded measurements performed in the fiducial phase space of the decay leptons. The measurement is obtained from proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment in 2012 at $\sqrt s$ = 8 TeV at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 20.2 fb$^{-1}$. The results, based on a total of 15.3 million Z-boson decays to electron and muon pairs, extend and improve a previous measurement of the full set of angular coefficients describing Z-boson decay. The double-differential cross-section distributions in Z-boson transverse momentum p$_T$ and rapidity y are measured in the pole region, defined as 80 $&lt;$ m $&lt;$ 100 GeV, over the range $|y| &lt;$ 3.6. The total uncertainty of the normalised cross-section measurements in the peak region of the p$_T$ distribution is dominated by statistical uncertainties over the full range and increases as a function of rapidity from 0.5-1.0% for $|y| &lt;$ 2.0 to 2-7% at higher rapidities. The results for the rapidity-dependent transverse momentum distributions are compared to state-of-the-art QCD predictions, which combine in the best cases approximate N$^4$LL resummation with N$^3$LO fixed-order perturbative calculations. The differential rapidity distributions integrated over p$_T$ are even more precise, with accuracies from 0.2-0.3% for $|y| &lt;$ 2.0 to 0.4-0.9% at higher rapidities, and are compared to fixed-order QCD predictions using the most recent parton distribution functions. The agreement between data and predictions is quite good in most cases.

연구 동기 및 목표

• 자기 영역 제약 조건을 초월하여 쇄도 렙톤의 전역 위상공간에서 Z 보손 생성을 측정하기 위해.
• Z 보손의 질량 근처에서 이중미분 단면적의 정밀도를 전단력(pT)과 빠르기(y)의 함수로 향상시키기 위해.
• 근사 N4LL 리스무메이션과 N3LO 고정순서 계산을 조합한 최신의 QCD 예측을 테스트하기 위해.
• 자기 영역 보정을 피하고 모델에 종속되지 않는 각도 분해를 활용하여 이론적 불확도를 감소시키기 위해.
• 고정밀도 이중미분 분포를 통해 양성자 분포 함수(PDFs)에 대한 새로운 제약 조건을 제공하기 위해.

제안 방법

• 콜린스-소퍼 프레임에서 렙톤 운동량의 각도 분해를 9개의 구면 조화 다항식과 각도 계수(Ai)의 곱으로 수행한다.
• 스핀-1 Z 보손과 스핀-1/2 렙톤에 기반한 모델에 종속되지 않는 형식을 사용하여 생성 역학과 붕괴 운동량을 분리한다.
• 1530만 개의 Z → ℓℓ 붕괴를 사용하여 |y| < 3.6 및 80 < mℓℓ < 100 GeV 범위에서 dσ/dpT dy의 이중미분 단면적을 측정한다.
• 관측된 렙톤 분포에서 비극성 단면적 σU+L과 각도 계수 Ai를 추출하기 위해 가능성 기반의 편향 해제 방법을 적용한다.
• 중앙(ieCC, μμCC) 및 후방(ieCF) 렙톤 채널을 포함한 전 ATLAS 커버리지에서의 검출기 校정 및 재구성에 의존한다.
• 최신의 양성자 분포 함수(PDFs)와 근사 N4LL + N3LO 계산을 사용하여 결과를 QCD 예측과 대조한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 쇄도 렙톤의 전역 위상공간에서 Z 보손의 pT 및 빠르기 이중미분 단면적은 어느 정도의 정밀도로 측정될 수 있는가?
• RQ2 측정된 pT 및 y 분포는 N4LL 리스무메이션과 N3LO 고정순서 계산을 조합한 최신 QCD 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 빠르기가 전단력 스펙트럼에 어떤 영향을 미치며, 전 위상공간 측정은 자동 영역 측정과 비교해 이 의존성을 어떻게 드러내는가?
• RQ4 각도 계수 Ai는 편극 및 붕괴에 대한 이론적 불확도로부터 독립적으로 Z 보손 생성 메커니즘을 어떻게 제약하는가?
• RQ5 정규화된 단면적 측정에서 주요 불확도 원인은 무엇이며, 이는 빠르기에 따라 어떻게 변화하는가?

주요 결과

• 정규화된 단면적 측정에서 총 불확도는 |y| < 2.0에서 0.5–1.0%이며 고속도에서 2–7%로 증가하며, 전체 범위에서 통계적 불확도가 지배적이다.
• pT에 대해 통합된 이중미분 빠르기 분포는 |y| < 2.0에서 0.2–0.3%의 정확도를 달성하고 고속도에서는 0.4–0.9%로 유지되며, PDF에 대한 강력한 제약 조건을 제공한다.
• 측정된 pT 및 y 분포는 근사 N4LL 리스무메이션과 N3LO 고정순서 계산을 조합한 최고의 QCD 예측과 양호한 일치를 보인다.
• 전 위상공간 측정은 자동 영역 측정에서 렙톤 선택 조건으로 인해 가려졌던 Z 보손의 전단력 스펙트럼의 빠르기 의존성을 드러낸다.
• 각도 분해 방법은 생성 역학을 붕괴 효과에서 효과적으로 분리하여 QCD, QED 및 전자약력 보정에 대한 민감도를 Z 근처에서 0.05% 미만으로 감소시킨다.
• 효과적 각도 계수 Ai는 Z 근처에서 γ* 간섭의 미미한 기여를 포함하지만, 이 형식은 여전히 강력하고 모델에 종속되지 않다.