[논문 리뷰] Inclusive and differential cross section measurements of $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} extrm{b}\overline{ extrm{b}} $ production in the lepton+jets channel at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram외 2370명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 94인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 138 fb⁻¹의 CMS 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 레프톤+제트 채널에서 토퍼 쿼크 쌍 및 바텀 쿼크 쌍 생성(ttbb)의 포함 및 정규화된 미분 단면적 측정을 가장 정밀하게 수행한다. 입자 수준 분포로의 최대우도 복원을 적용한 결과, 대부분의 이론 예측이 포함 단면적을 과소평가하며, 유일한 특정 동적 재규격화 스케일 선택지만 일치를 보이며, 어떤 생성기라도 모든 미분 분포를 동시에 기술하지 못한다.

ABSTRACT

Measurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs, ttbb, are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the ttbb process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale, $\mu_\mathrm{R}=\frac{1}{2} \prod_{i=\mathrm{t, \bar{t}, b, \bar{b}}} m_{\mathrm{T},i}^{1/4}$, where $m_{\mathrm{T},i}^2=m_i^2+p^2_{\mathrm{T},i}$ are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 레프톤+제트 최종 상태에서 ttbb 생성의 포함 및 정규화된 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 여러 피드유얼 상위 공간 영역에서 최신 수준의 NLO QCD + 파르톤 쇄발 이벤트 생성기와 데이터의 일치성을 테스트하기 위해.
• 톱-요카와 및 힉스-톱 측정에서 핵심 배경인 ttbb에 대한 이론적 예측의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 비소외된 바텀 쿼크 질량 효과를 고려한 다중 바텀 쿼크 최종 상태에서의 QCD 역학 이해를 향상시키기 위해.
• 고정밀도 데이터를 이용해 생성기 설정을 제약하여 ttbb 모델링의 불확실성을 줄이기 위해.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집된 데이터로, 누적 루미너시 138 fb⁻¹에 해당한다.
• 정확히 하나의 고립된 전자 또는 뮤온과 최소 다섯 개의 제트를 포함하는 이벤트를 선별하여 토퍼 쿼크 쌍의 레프톤+제트 붕괴 모드를 대상으로 한다.
• 네 가지 피드유얼 상위 공간 영역 정의: ttbb(완전히 분리된 상태), ttb(세 개의 바텀 제트), ttbj(추가 제트), ttbbj(분리된 bb 쌍이 있는 추가 제트).
• 검출기 수준 데이터에서 입자 수준의 미분 분포를 복원하기 위해 최대우도 복원을 적용한다.
• 다양한 재규격화 및 인과 스케일 선택지를 사용한 여러 이벤트 생성기 예측과 복원된 분포를 비교한다.
• 정밀한 제트 재구성(anti-kT 알고리즘), DEEPJET를 이용한 b-태깅, 피킹업 억제 기법을 활용하여 측정 정밀도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 측정된 ttbb 생성의 포함 및 미분 단면적은 NLO QCD + 파르톤 쇄발 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 다양한 피드유얼 영역에서 데이터를 가장 잘 기술하는 생성기 설정과 재규격화 스케일 선택지는 무엇인가?
• RQ3 현재의 이론 모델이 ttbb 이벤트의 운동량 분포를 얼마나 정확히 기술하는가?
• RQ4 바텀 쿼크 질량 효과와 QCD 복사가 ttbb 최종 상태 모델링에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 데이터는 생성기 간의 괴리 문제를 해결하고, 토퍼 및 힉스 물리에서 ttbb 배경에 대한 선호되는 모델링 접근법을 식별할 수 있는가?

주요 결과

• 피드유얼 상위 공간에서의 포함 단면적이 지금까지 가장 정밀하게 측정되었으며, 대부분의 이론 예측을 초과한다.
• 측정된 포함 단면적과 일치하는 유일한 특정 동적 재규격화 스케일 선택지인 µR = ½ ∏i=t,t,b,b m₁/₄T,i 이다.
• 미분 단면적은 이론 예측과 다양한 정도로 일치하지만, 어떤 하나의 생성기라도 모든 측정된 분포를 동시에 기술하지 못한다.
• 표준 스케일 선택지를 사용할 경우 측정된 포함 단면적이 예측보다 체계적으로 높게 나타나 QCD 보정 모델링의 향상 필요성을 시사한다.
• 데이터는 특히 추가 QCD 복사가 있는 영역(예: ttbj 및 ttbbj)에서 현재의 이벤트 생성기 설정과 상당한 긴장이 있음을 드러내며, 현재 모델링의 한계를 부각한다.
• 결과는 ttbb 생성기의 매개변수 공간을 제약하고, ttH 및 tttt 물리 측정에서의 불확실성 감소에 중요한 정보를 제공한다.