[논문 리뷰] Differential cross-sections for events with missing transverse momentum and jets measured with the ATLAS detector in 13 TeV proton-proton collisions

Georges Aad, Aakvaag, Erlend외 2945명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌의 140 fb⁻¹ 데이터를 사용하여, 검출기 효과를 보정한 상태에서 미량의 횡방향 운동량(pTmiss)과 함께 제트를 포함한 최초의 미분 단면적 측정을 제시한다. 결과는 표준모형 예측과 양호한 일치를 보이며, 이중제트 질량 분포를 제외한 바, 단면적 비율을 사용하여 뉴트리노 모형 및 어둠성 물질 모형을 포함한 새로운 물리 현상에 대한 민감도를 향상시켰으며, 전용 탐색과 유사한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Measurements of inclusive, differential cross-sections for the production of events with missing transverse momentum in association with jets in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV are presented. The measurements are made with the ATLAS detector using an integrated luminosity of 140 fb$^{−1}$ and include measurements of dijet distributions in a region in which vector-boson fusion processes are enhanced. They are unfolded to correct for detector resolution and efficiency within the fiducial acceptance, and are designed to allow robust comparisons with a wide range of theoretical predictions. A measurement of differential cross sections for the Z → νν process is made. The measurements are generally well-described by Standard Model predictions except for the dijet invariant mass distribution. Auxiliary measurements of the hadronic system recoiling against isolated leptons, and photons, are also made in the same phase space. Ratios between the measured distributions are then derived, to take advantage of cancellations in modelling effects and some of the major systematic uncertainties. These measurements are sensitive to new phenomena, and provide a mechanism to easily set constraints on phenomenological models. To illustrate the robustness of the approach, these ratios are compared with two common Dark Matter models, where the constraints derived from the measurement are comparable to those set by dedicated detector-level searches.[graphic not available: see fulltext]

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 프로톤-프로톤 충돌에서 미량의 횡방향 운동량과 제트를 포함한 사건의 고정밀도 및 최소 모형 의존도를 가진 미분 단면적 측정.
• 검출기 효과를 보정하고 피드유얼 단면적을 정의함으로써 다양한 이론 예측과의 견고한 비교를 가능하게 하기.
• 이론 모델링 불확실성과 체계적 오차를 억제하기 위해 단면적 비율의 유용성을 입증하고, 표준모형을 초월한 물리 현상에 대한 민감도 향상.
• 반복적인 검출기 수준 시뮬레이션의 필요 없이 동일한 데이터를 사용하여 어둠성 물질 모형에 대한 제약 조건 설정.
• 최신 표준모형 예측과 벤치마크 BSM 모형과의 비교를 통해 접근 방식의 타당성 검증.

제안 방법

• ATLAS Run 2 데이터의 누적 루미너시 140 fb⁻¹를 사용하여 pTmiss + 제트의 포함 및 미분 단면적 측정.
• 피드유얼 단면적 내에서 검출기 해상도 및 효율성의 영향을 보정하기 위해 복원 절차 적용.
• 벡터 보손 융합 및 Z→νν 생성에 대한 민감도 향상을 위해 운동량 조건을 적용한 피드유얼 단면적 정의.
• 동일한 단면적 내에서 고립된 렙톤 및 광자와의 상관관계를 고려한 하드론성 반동 횡방향 운동량(precoilT)에 대한 보조 측정 수행.
• 공통된 불확실성과 모델 의존성 체계적 오차를 상쇄하기 위해 단면적 비율(pTmiss 대비 precoilT 등) 계산.
• 측정된 비율을 이론 예측 및 BSM 모형(간단한 어둠성 물질 모형 및 편모형으로서의 이중 히iggs 두중체 모형)과 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 pTmiss + 제트의 측정된 미분 단면적은 다양한 운동량 관측량에서 표준모형 예측과 얼마나 잘 일치하는가?
• RQ2 이중제트 질량 분포는 표준모형 기대치에서 얼마나 벗어나며, 이는 새로운 물리 현상에 대해 어떤 함의를 갖는가?
• RQ3 pTmiss와 precoilT 측정 간의 단면적 비율은 체계적 오차를 억제하고 BSM 물리 현상에 대한 민감도를 향상시키는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ4 이러한 비율은 전용 검출기 수준의 탐색에 비해 어둠성 물질 모형을 제약하는 데 얼마나 효과적인가?
• RQ5 편모형으로서의 이중 히iggs 두중체 모형과 편모형 어둠성 물질 결합을 포함한 복잡한 BSM 시나리오에 적용했을 때 측정 접근 방식의 견고성은 어떠한가?

주요 결과

• pTmiss + 제트의 미분 단면적은 표준모형 예측과 일반적으로 잘 일치하지만, 이중제트 질량 분포에서 뚜렷한 이질성이 관측된다.
• Z→νν 생성 측정은 복잡한 배경 기여를 보정한 후 복원하여, 비가시성 Z 너비의 정밀한 결정을 가능하게 한다.
• pTmiss와 precoilT 관측량 간의 단면적 비율은 검출기 관련 및 모델링 불확실성을 강하게 상쇄하여 새로운 물리 현상에 대한 민감도 향상.
• 동일한 데이터셋을 사용하여 간단한 어둠성 물질 모형에 대한 제약 조건은 전용 ATLAS 및 CMS 탐색 결과와 유사한 강도를 보인다.
• 추가 히긴스 두중체와 편모형 어둠성 물질 결합을 포함한 더 복잡한 모형에 대해서도 동일한 측정 접근 방식이 추가 검출기 시뮬레이션 없이 경쟁 가능한 제약 조건 제공.
• 복원 절차는 검출기 해상도 및 효율성의 영향을 성공적으로 보정하여, 피드유얼 단면적 내에서 이론과의 신뢰할 수 있는 비교를 가능하게 한다.