[논문 리뷰] First Measurement of the $\lowercase{ tbar}$ Differential Cross Section $\lowercase{dσ/d}M_{\lowercase{t\overline{t}}}$ in $\lowercase{\ppbar}$ Collisions at $\sqrt{\lowercase{s}}=1.96$ TeV

T. Aaltonen|arXiv (Cornell University)|2009. 03. 16.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 1인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩의 CDF 실험에서 2.7 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 1.96$ TeV에서 $p\bar{p}$ 충돌에서의 미분형 탑 쿼크 쌍 생성 단면적 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$를 처음으로 측정한다. 측정 범위는 탑-반탑의 진동 질량 0에서 1400 GeV/$c^2$까지이며, 350–400 GeV/$c^2$ 구간에서 가장 높은 정밀도를 보이며, 표준모형 예측과의 유의미한 편차는 발견되지 않았다. 고질량 尾부에서 앤더슨-다링 테스트의 p-값은 0.28이다.

ABSTRACT

We present a measurement of the $ tbar$ differential cross section with respect to the $ tbar$ invariant mass, dSigma/dMttbar, in $\ppbar$ collisions at $\sqrt{s}=1.96$ TeV using an integrated luminosity of $2.7\invfb$ collected by the CDF II experiment. The $ tbar$ invariant mass spectrum is sensitive to a variety of exotic particles decaying into $ tbar$ pairs. The result is consistent with the standard model expectation, as modeled by exttt{PYTHIA} with exttt{CTEQ5L} parton distribution functions.

연구 동기 및 목표

• 표준모형 예측과의 편차를 탐지하기 위해 $\sqrt{s} = 1.96$ TeV에서의 $p\bar{p}$ 충돌에서 탑-반탑의 진동 질량 $M_{t\overline{t}}$ 의 함수로 미분형 탑 쿼크 쌍 생성 단면적을 측정하는 것.
• 고질량 $M_{t\overline{t}}$ 분포의 尾부를 분석하여 표준모형을 초월한 물리학을 탐색하는 것.
• 모든 $M_{t\overline{t}}$ 구간에서 제트 에너지 스케일, PDF, 배경 기여도 등 체계적 불확실성을 정량화하는 것.
• 가장 민감한 $M_{t\overline{t}}$ 범위를 선택하여 앤더슨-다링 테스트의 새로운 물리학 탐지 민감도를 최적화하는 것.
• 미래의 이론 예측 및 새로운 물리 모델과의 비교를 위한 기준 데이터셋을 제공하는 것.

제안 방법

• 분석은 페르미랩 테바트론의 CDF II 검출기에서 확보한 2.7 fb$^{-1}$의 $p\bar{p}$ 충돌 데이터를 사용한다.
• 일개의 렙톤(전자 또는 뮤온), 큰 미소한 횡방향 운동량, 최소 4개의 제트를 포함하는 사건을 이용하여 탑 쿼크 쌍 후보를 재구성한다. 이 중 하나의 제트는 b-쿼크 제트로 식별된다.
• 재구성된 탑 및 반탑 쿼크의 4모멘타에서 진동 질량 $M_{t\overline{t}}$ 를 계산하며, 체계적 변동성에 대한 민감도를 줄이기 위해 탑 쿼크 질량을 175 GeV/$c^2$로 고정한다.
• 제트 에너지 스케일(JES), 초기 및 최종 상태 방사선(ISR/FSR), 배경 기여도, 수용율, 그리고 부분자 분포 함수(PDF)에 대한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 표준모형과의 일치성을 검증하기 위해 앤더슨-다링(AD) 통계량을 사용하며, 가장 민감한 $M_{t\overline{t}}$ 범위를 식별하기 위해 몬테카를로 가짜 실험을 통해 최적화를 수행한다.
• 관측된 AD 통계량의 p-값은 SM 몬테카를로 분포를 사용하여 10,000번의 가짜 실험에서 계산되며, 그 결과는 데이터와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전체 $M_{t\overline{t}}$ 스펙트럼에서 표준모형 예측과의 미분형 $t\bar{t}$ 단면적 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$ 의 측정 가능한 편차가 존재하는가?
• RQ2 앤더슨-다링 테스트를 통해 새로운 물리학을 탐지하기 위한 가장 민감한 $M_{t\overline{t}}$ 범위는 무엇인가?
• RQ3 특히 PDF와 제트 에너지 스케일에 의한 체계적 불확실성은 다양한 $M_{t\overline{t}}$ 구간에서 어떻게 변화하는가?
• RQ4 고질량 尾부($M_{t\overline{t}} \geq 450$ GeV/$c^2$)는 표준모형을 초월한 새로운 물리학을 제약하기 위해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ5 측정된 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$ 분포는 이례적인 탑 쿼크 결합 또는 새로운 공명의 증거를 보여주는가?

주요 결과

• 측정된 미분 단면적 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$ 는 350–400 GeV/$c^2$ 구간에서 최고로 높은 정밀도를 보이며, 값은 $62.3 \pm 7.0 \pm 7.9 \pm 3.7$ fb/GeV/$c^2$ 로 측정되었으며, 이는 데이터셋 내에서 가장 높은 통계적 및 체계적 정밀도를 나타낸다.
• 총 포함형 $t\bar{t}$ 단면적은 통계적 오차와 제트 에너지 스케일 오차를 통합하여 $6.9 \pm 1.0$ pb로 측정되었다.
• PDF 불확실성은 고질량에서 가장 높게 나타나며, 800–1400 GeV/$c^2$ 구간에서 18.8%에 이르지만, 450–500 GeV/$c^2$ 구간에서는 낮게(1.0%) 나타난다.
• 앤더슨-다링 테스트는 $M_{t\overline{t}} \geq 450$ GeV/$c^2$ 를 새로운 물리학 탐지에 가장 민감한 영역으로 식별하였으며, 관측된 데이터에 대한 p-값은 0.28이었다.
• 관측된 p-값 0.28은 표준모형 예측과의 유의미한 편차가 없음을 시사하며, 데이터는 표준모형 기대치에 28% 신뢰수준에서 일치한다.
• 400–550 GeV/$c^2$ 범위에서 탑 쿼크 질량을 고정함으로써 PDF 민감도가 낮아지고, 배경 기여도가 높음에도 불구하고 체계적 불확실성이 감소하였다.