[논문 리뷰] Inclusive and differential cross-sections for dilepton $ t\overline{t} $ production measured in $ \sqrt{s} $ = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2971명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 LHC 런 2에서 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌의 140 fb⁻¹ ATLAS 데이터를 사용하여 이레프톤 t¯t 생성의 포함형 및 미분 단면적 측정을 제시한다. 이론과 뛰어난 일치를 보이며, 톰-쿼크의 횡운동량에 대한 NNLO 예측을 따라 몽테카를로 샘플을 재가중함으로써 데이터와의 일치가 향상됨을 발견하였다. 총 포함형 단면적은 829 ± 1 (통계) ± 13 (계측) ± 8 (광도) ± 2 (빔) pb로 측정되었다.

ABSTRACT

Differential and double-differential distributions of kinematic variables of leptons from decays of top-quark pairs ($t\bar{t}$) are measured using the full LHC Run 2 data sample collected with the ATLAS detector. The data were collected at a $pp$ collision energy of $\sqrt{s}=13$ TeV and correspond to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The measurements use events containing an oppositely charged $eμ$ pair and $b$-tagged jets. The results are compared with predictions from several Monte Carlo generators. While no prediction is found to be consistent with all distributions, a better agreement with measurements of the lepton $p_{ ext{T}}$ distributions is obtained by reweighting the $t\bar{t}$ sample so as to reproduce the top-quark $p_{ ext{T}}$ distribution from an NNLO calculation. The inclusive top-quark pair production cross-section is measured as well, both in a fiducial region and in the full phase-space. The total inclusive cross-section is found to be \[ σ_{t\bar{t}} = 829 \pm 1\;( extrm{stat}) \pm 13\;( extrm{syst}) \pm 8\;( extrm{lumi}) \pm 2\; ( extrm{beam})\ extrm{pb}, \] where the uncertainties are due to statistics, systematic effects, the integrated luminosity and the beam energy. This is in excellent agreement with the theoretical expectation.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 이레프톤 끝상태에서의 톰-쿼크 쌍 생성을 위한 포함형 및 미분 단면적 측정.
• LHC 런 2의 고정밀도 데이터와 몽테카를로 이벤트 생성기 간의 일관성 테스트.
• t¯t 붕괴에서 유도된 렙톤의 운동량 분포를 비교하여 톰-쿼크 생성 역학을 제약.
• 톰-쿼크의 pT에 대한 NNLO 예측을 따라 t¯t 샘플을 재가중하여 시뮬레이션과 데이터 간의 일치를 향상.
• 고통수의 이레프톤 데이터를 사용하여 αs, mt, PDFs를 포함하는 향후 종합 피팅의 기준점 제공.

제안 방법

• 분석은 ATLAS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 140 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 반대 전하의 eμ 쌍과 최소 두 개의 b-태그된 제트를 포함하는 이벤트를 선택하며, 렙톤 pT > 25–27 GeV 및 |η| < 2.5의 피드유얼 조건을 적용한다.
• 여덟 개의 운동량 변수에 대해 단일 및 이중 미분 분포를 측정한다: pT, η, meμ, peμT, |yeμ|, Ee + Eμ, peT + pμT, 및 |Δϕeμ|.
• Powheg+Pythia8, MG5_aMC@NLO+Herwig7 및 기타 여러 몽테카를로 생성기의 예측과 데이터를 비교한다.
• 광도 및 빔 에너지 불확실성 포함, 데이터 기반 기법과 시뮬레이션 기반 보정을 사용하여 체계적 불확실도를 평가한다.
• 톰-쿼크의 pT 분포에 대해 NNLO 예측을 따라 t¯t 샘플을 재가중하는 절차를 적용하여, 렙톤 pT 스펙트럼에 대한 데이터와의 일치를 향상시켰다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재의 몽테카를로 생성기는 13 TeV pp 충돌에서 t¯t 붕괴에서 유도된 렙톤의 미분 분포를 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ2 톰-쿼크의 pT에 대한 NNLO 예측을 따라 t¯t 샘플을 재가중하면 렙톤 운동량 분포에 대한 데이터와의 일치가 향상되는가?
• RQ3 √s = 13 TeV에서 피드유얼 영역 및 전체 단면적에서 측정된 총 포함형 t¯t 단면적은 얼마인가?
• RQ4 meμ, peμT, 및 Ee + Eμ에 대한 측정된 이중 미분 분포는 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 광도 및 빔 에너지의 불확실성은 최종 단면적 측정에 얼마나 큰 영향을 미치는가?

주요 결과

• 총 포함형 t¯t 단면적은 829 ± 1 (통계) ± 13 (계측) ± 8 (광도) ± 2 (빔) pb로 측정되었으며, 이론적 예측과 매우 우수한 일치를 보였다.
• 단일 몽테카를로 생성기로는 측정된 모든 미분 분포를 완전히 기술하지 못하며, 현재 모델링의 한계를 시사한다.
• 톰-쿼크의 pT에 대한 NNLO 예측을 따라 t¯t 샘플을 재가중함으로써, 렙톤 pT 분포에 대한 데이터와의 일치가 뚜렷이 향상되었다.
• 피드유얼 단면적은 높은 정밀도로 측정되어, 향후 αs, mt, PDFs를 포함하는 종합 피팅에 유용하다.
• |yeμ|, |Δϕeμ|, peμT, 및 Ee + Eμ에 대한 이중 미분 분포는 물리적 기초에 민감하며, 대부분의 백터에서 3% 이내의 불확실성을 보였다.
• 개선된 캘리브레이션 덕분에 광도 불확실도는 0.8%로 감소하여 측정의 총 정밀도에 기여하였다.