[논문 리뷰] Cross-section measurements for the production of a $Z$ boson in association with high-transverse-momentum jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Aad, G., Abbott, B.외 2894명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 실험에서 139 fb⁻¹의 데이터로 13 TeV의 양성자-양성자 충돌에서 고운동량 운동량을 가진 제트와 함께 Z 보손 생성의 정밀도 단면적 측정을 제시한다. 연구는 Z 보손과 가장 가까운 제트 사이의 각도 상관관계에 초점을 맞추며, 공선형과 반대편 배치(topology)를 구분하고, 다음으로 다음-다음-최고차수(QCD) 예측 및 다중 레그 NLO 생성기인 MadGraph5_aMC@NLO와 Sherpa와의 뛰어난 일치를 발견한다.

ABSTRACT

Cross-section measurements for a $Z$ boson produced in association with high-transverse-momentum jets ($p_{\mathrm{T}} \geq 100$ GeV) and decaying into a charged-lepton pair ($e^+e^-,\mu^+\mu^-$) are presented. The measurements are performed using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV corresponding to an integrated luminosity of $139$ fb$^{-1}$ collected by the ATLAS experiment at the LHC. Measurements of angular correlations between the $Z$ boson and the closest jet are performed in events with at least one jet with $p_{\mathrm{T}} \geq 500$ GeV. Event topologies of particular interest are the collinear emission of a $Z$ boson in dijet events and a boosted $Z$ boson recoiling against a jet. Fiducial cross sections are compared with state-of-the-art theoretical predictions. The data are found to agree with next-to-next-to-leading-order predictions by NNLOjet and with the next-to-leading-order multi-leg generators MadGraph5_aMC@NLO and Sherpa.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 고pT 제트(pT ≥ 100 GeV)와 함께 Z 보손 생성의 유효 및 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 특히 Z 보손 방출이 증가하는 공선 영역에서 고에너지 제트 위상에서 QCD와 전자약력 효과 간의 상호작용을 탐구하기 위해.
• 부드러운-공선 영역과 큰 로그 보정이 지배하는 도전적인 운동량 영역에서 이론 예측을 시험하기 위해.
• 주요 위상 두 가지를 분리하고 특성화하기 위해: 공선 방출(ΔRmin_Z,j ≤ 1.4)과 반대편 배치로 되돌아가는(ΔRmin_Z,j ≥ 2.0) 구성.
• Higgs 보손 분석 및 새로운 물리 현상 탐색에서 Z+제트 배경을 정확히 모델링해야 하므로, 고정밀 데이터를 제공하기 위해.

제안 방법

• Z 보손 후보를 Z 보손의 전자-전자 또는 뮤온-뮤온 최종 상태로 붕괴함으로써, Z 보손의 피크(91.2 GeV) 근처의 진동 질량을 통해 재구성한다.
• R = 0.4인 anti-kₜ 알고리즘을 사용하여 제트를 정의하고, 포함적 제트 분석에서는 pT ≥ 100 GeV, 고pT 위상 선택에서는 pT ≥ 500 GeV를 요구한다.
• 포함 영역에서 pT,j1, pT,ℓℓ, HT 및 제트 다중도의 함수로서 미분 단면적을 측정한다.
• 고pT 영역을 Z 보손과 가장 가까운 제트 사이의 각도 거리에 따라 공선(ΔRmin_Z,j ≤ 1.4) 및 반대편 배치(ΔRmin_Z,j ≥ 2.0) 위상으로 분할한다.
• 핵심 관측량 정의: ΔRmin_Z,j, rZ,j = pT,ℓℓ / pT(가장 가까운 제트), 제트 다중도로 부드러운 복사 및 강한 산란 역학을 탐색한다.
• 데이터를 최신 수준의 이론 예측과 비교한다: NNLOJET에서의 다음-다음-최고차수(NNLO) 및 MadGraph5_aMC@NLO와 Sherpa 생성기에서의 다음-최고차수(NLO) 예측.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Z+제트 생성의 미분 단면적은 제트의 횡운동량, Z 보손의 횡운동량, 총 횡운동량 합계에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 Z 보손과 가장 가까운 제트 사이의 각도 상관관계는 부드러운 글루온 복사로 인한 공선 강화를 어느 정도 반영하는가?
• RQ3 공선 및 반대편 배치 제트 위상에서 NNLO QCD와 NLO 다중 레그 행렬원 생성기 예측은 데이터를 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ4 고pT 영역에서 Z+1-제트와 Z+2-제트(이제트) 구성의 상대 기여는 얼마이며, 각각 각도 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 큰 로그 보정이 중요한 공선 영역에서 발생하는 몬테카를로 생성기의 불일치를 데이터가 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 포함 영역(pT,j ≥ 100 GeV)에서 Z+제트 생성의 측정된 유효 단면적은 NNLOJET에서의 NNLO 예측과 뛰어난 일치를 보였다.
• pT,j1, pT,ℓℓ, HT 및 제트 다중도에 대한 미분 단면적은 MadGraph5_aMC@NLO와 Sherpa의 NLO 예측과 일관된 일치를 보였다.
• 고pT 영역(pT,j ≥ 500 GeV)에서 공선 위상(ΔRmin_Z,j ≤ 1.4)은 부드러운 Z 보손 복사에 의해 유도된 공선 영역의 강한 증가를 보이며, 이는 쿼크 선에서의 부드러운 Z 보손 복사와 일치한다.
• 공선 영역에서 rZ,j 비율은 상당히 낮게 측정되어 이 위상에서의 부드러운 Z 보손 방출의 지배적 기여를 확인한다.
• 반대편 배치 위상(ΔRmin_Z,j ≥ 2.0)은 Z+1-제트 사건에 의해 지배되며, 제트 다중도 분포는 최종 상태에서 한 개의 제트와 일치한다.
• 이론 예측에서의 심각한 이격은 데이터에서 배제되었으며, 고에너지 및 고다중도 제트 영역에서 현재 최고 수준의 QCD 계산이 검증됨을 입증한다.