[논문 리뷰] Inclusive and differential cross-section measurements of $t\bar{t}Z$ production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector, including EFT and spin-correlation interpretations

G. Aad, B. Abbott외 2933명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 104인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 140 fb$^{-1}$의 ATLAS 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 13$ TeV에서의 $pp$ 충돌에서 포함 및 미분형 $t\bar{t}Z$ 생성 단면적을 정밀하게 측정한다. 포함 단면적은 $\sigma_{t\bar{t}Z} = 0.86 \pm 0.04_{\text{stat}} \pm 0.04_{\text{syst}}$ pb로 나타나 표준모형 예측과 일치하며, $t\bar{t}Z$ 사건에서 탑 쿼크 스핀 상관관계의 첫 측정을 수행하여 영가설에서 1.8 표준편차만큼 불리하게 나타난다.

ABSTRACT

Measurements of both the inclusive and differential production cross sections of a top-quark-top-antiquark pair in association with a $Z$ boson ($t\bar{t}Z$) are presented. Final states with two, three or four isolated leptons (electrons or muons) are targeted. The measurements use the data recorded by the ATLAS detector in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV at the Large Hadron Collider during the years 2015-2018, corresponding to an integrated luminosity of $140$ fb$^{-1}$. The inclusive cross section is measured to be $\sigma_{t\bar{t}Z}= 0.86 \pm 0.04~\mathrm{(stat.)} \pm 0.04~\mathrm{(syst.)}~$pb and found to be in agreement with the most advanced Standard Model predictions. The differential measurements are presented as a function of a number of observables that probe the kinematics of the $t\bar{t}Z$ system. Both the absolute and normalised differential cross-section measurements are performed at particle level and parton level for specific fiducial volumes, and are compared with NLO+NNLL theoretical predictions. The results are interpreted in the framework of Standard Model effective field theory and used to set limits on a large number of dimension-6 operators involving the top quark. The first measurement of spin correlations in $t\bar{t}Z$ events is presented: the results are in agreement with the Standard Model expectations, and the null hypothesis of no spin correlations is disfavoured with a significance of $1.8$ standard deviations.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서 다이레프톤 끝상태에서의 포함 및 미분형 $t\bar{t}Z$ 생성 단면적 측정.
• $t\bar{t}Z$ 사건에서 탑 쿼크 스핀 상관관계의 첫 측정 수행.
• 표준모형 효과적 장 이론(SMEFT)의 맥락에서 결과를 해석하고, 탑 쿼크를 포함하는 6차원 연산자에 대한 한계 설정.
• 해체된 입자 수준 및 파arton 수준의 미분형 단면적을 NLO+NNLL 이론 예측과 비교.
• 개선된 물체 재구성, 배경 추정 및 체계적 불확실성 모델링을 통해 정밀도 향상.

제안 방법

• 포트폴리오-우도 적합을 사용하여 포함 단면적을 추출하고, 검출기 수준 데이터를 입자 수준 및 파arton 수준의 관측량으로 복원한다.
• 이레프온, 삼레프온, 사레프온 끝상태에 대해 신호 영역을 정의하고, 엄격한 레프온 및 제트 식별 및 재구성 조건을 적용한다.
• 실제 및 비실제/가짜 레프온에서 오는 배경은 데이터 기반 기법과 제어 영역을 사용하여 추정한다.
• 검출기 효과, 신호 모델링, 배경 추정에 대한 체계적 불확실성을 평가하며, PDF, 스케일 및 $\alpha_s$ 변화에 대한 세부 처리를 수행한다.
• 검출기 효과를 보정하고 입자 수준 및 파arton 수준의 진짜 미분형 단면적을 확보하기 위해 프로파일-우도 절차를 사용해 복원을 수행한다.
• SMEFT 해석은 데이터를 6차원 연산자에 투영하여, 윌슨 계수에 대한 95% 신뢰수준 한계를 설정함으로써 수행된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 $t\bar{t}Z$ 생성의 포함 단면적은 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 $t\bar{t}Z$의 미분형 단면적은 $H_T^\ell$, $\Delta\Phi$, $m_{t\bar{t}}$와 같은 운동량 관측량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 $t\bar{t}Z$ 사건에서 탑 쿼크 스핀 상관관계에 대한 증거가 있는가? 관측된 상관관계는 표준모형 기대값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이 측정을 통해 탑 쿼크를 포함하는 6차원 SMEFT 연산자에 대한 제약 조건은 무엇인가?
• RQ5 NLO+NNLL 이론 예측은 해체된 입자 수준 및 파arton 수준의 미분형 단면적을 얼마나 잘 묘사하는가?

주요 결과

• 포함형 $t\bar{t}Z$ 단면적은 $\sigma_{t\bar{t}Z} = 0.86 \pm 0.04_{\text{stat}} \pm 0.04_{\text{syst}}$ pb로 측정되었으며, 표준모형 예측인 $0.863^{+0.073}_{-0.085}$ pb와 일치한다.
• $t\bar{t}Z$ 사건에서 탑 쿼크 스핀 상관관계의 첫 측정 결과는 영가설(상관관계 없음)에 대해 1.8 표준편차의 유의미성 수준을 보였다.
• 입자 수준 및 파arton 수준에서 복원된 미분형 단면적은 $H_T^\ell$, $\Delta\Phi(\ell^+_t, \ell^-_{\bar{t}})$, $m_{t\bar{t}}$ 등을 포함한 여러 관측량에서 NLO+NNLL 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 이론적 예측과의 호환성 검증 결과, p-값은 0.02에서 0.97 사이로, 대부분 0.1 이상이었으며, 이는 양호한 일치를 나타낸다.
• 탑 쿼크를 포함하는 23개의 6차원 SMEFT 연산자에 대해 한계를 설정하였으며, 윌슨 계수에 대한 95% 신뢰수준의 구간은 $-1.2 \times 10^{-3}$에서 $1.1 \times 10^{-3}$ TeV$^{-2}$ 사이였다.
• 더 향상된 물체 보정, 더 큰 통합 루미노시티(140 fb$^{-1}$), 그리고 개선된 체계적 불확실성 처리 덕분에 이전 ATLAS 결과보다 정밀도가 향상되었다.