[논문 리뷰] Measurement of cross-sections for production of a $Z$ boson in association with a flavor-inclusive or doubly $b$-tagged large-radius jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 데이터 36 fb⁻¹를 사용하여 13 TeV의 프로톤-프로톤 충돌에서 대량 레이저 빔을 가진 Z 보손 생성을 처음으로 측정하며, 풍미 포함 및 이중 b-태그된 단계 공간에 중점을 두었다. 제트 질량, 횡방향 운동량, b-태그된 부분 제트 간의 각도 분리에 대한 미분 단면적을 측정하여 추가 하드론 활동의 몽테카를로 모델링에 대한 불일치를 드러내며, b-태그 영역에서의 풍미 수치 체계 간의 차이를 강조한다.

ABSTRACT

We present measurements of cross-sections for production of a leptonically decaying $Z$ boson in association with a large-radius jet in $13~$TeV proton-proton collisions at the LHC, using $36~\mathrm{fb}^{-1}$ of data from the ATLAS detector. Integrated and differential cross-sections are measured at particle-level in both a flavor-inclusive and a doubly $b$-tagged fiducial phase-space. The large-radius jet mass and transverse momentum, its kinematic relationship to the $Z$ boson, and the angular separation of $b$-tagged small-radius track-jets within the large-radius jet are measured. This measurement constitutes an important test of perturbative quantum chromodynamics in kinematic and flavor configurations relevant to several Higgs boson and beyond-Standard-Model physics analyses. The results highlight issues with modeling of additional hadronic activity in the flavor-inclusive selection, and a distinction between flavor-number schemes in the $b$-tagged phase-space.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 프로톤-프로톤 충돌에서 대량 레이저 빔 제트와 연관된 Z 보손 생성의 통합 및 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 특히 글루온 분열을 통한 b-쿼크 쌍 생성을 포함하는 구성에서 양자 chromodynamics의 고전적 물리적 행동을 탐구하기 위해.
• 고속도에서의 고속도 제트에서 추가 하드론 활동 및 풍미 의존성 동역학을 모델링하는 몽테카를로 이벤트 생성기의 성능 평가를 위해.
• 강력한 제트 기법을 사용한 힉스 보손 및 새로운 물리 현상 분석을 위한 기준을 제공하기 위해.
• 특히 작은 각도 분리 영역에서 b-태그된 제트 모델링에 대한 풍미 수치 체계의 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• ATLAS 검출기에서 반-카이티 알고리즘을 사용하여 재구성된 입자들로부터 대량 레이저 빔 제트(R = 1.0)를 재구성하기 위해.
• Z 보손(전자형 붕괴, ΔR(Z, 제트) > 0.8)과 대량 레이저 빔 제트(pT > 200 GeV, |η| < 2.5)에 대한 관측 영역 절단 조건을 적용하기 위해.
• 대량 레이저 빔 제트 내의 소량 레이저 빔(R = 0.2) 부분 제트에 대해 트랙 기반 알고리즘을 사용하여 b-쿼크 기여를 식별하기 위해 b-태그를 수행하기 위해.
• 대량 레이저 빔 제트 질량, 횡방향 운동량, 그리고 b-태그된 부분 제트 간의 각도 분리 ΔR(b1, b2)에 대한 함수로 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 재구성된 검출기 수준 분포에서 입자 수준 관측량을 복원하기 위해 편향 보정 기법을 사용하여 검출기 보정을 적용하기 위해.
• 모델링 정확도 평가를 위해 여러 몽테카를로 생성기(e.g., Powheg+Pythia8, MG5_aMC@NLO+Herwig7)와 PDF 세트를 사용하여 보정된 측정 결과를 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현재 몽테카를로 생성기는 고속도 영역에서 Z + 대량 레이저 빔 제트 생성의 운동학 및 풍미 구조를 얼마나 잘 모델링하는가?
• RQ2 기존의 부분 진동 시뮬레이션은 풍미 포함 선택 영역에서 추가 하드론 활동을 어느 정도 잘못 모델링하는가?
• RQ3 부분 진동 생성기에서의 다양한 풍미 수치 체계는 특히 작은 ΔR(b1, b2) 영역에서 이중 b-태그된 제트의 기술을 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 미분 단면적은 b-태그된 부분 제트 간의 각도 분리에 대해 얼마나 민감한가, 그리고 예측과 비교했을 때 어떻게 다른가?
• RQ5 이 측정 결과는 고속도, 고무거운 풍미를 포함한 최종 상태에서 QCD 모델링 향상에 있어 강력한 기준이 될 수 있는가?

주요 결과

• 특히 추가 하드론 활동이 높은 영역에서 몽테카를로 시뮬레이션과 데이터 사이에 뚜렷한 불일치가 관측되었다.
• ΔR(b1, b2)에 대한 측정된 미분 단면적은 특히 글루온 분열로 인한 b¯b 쌍 생성에 일반적인 작은 ΔR 영역에서 예측과의 명확한 이탈을 보였다.
• 일부 생성기에서는 대량 레이저 빔 제트 질량 및 횡방향 운동량 분포의 모델링이 향상되었지만, 고속도 영역에서 체계적 불확실성은 여전히 크다.
• 이중 b-태그된 영역은 풍미 수치 체계 간의 명확한 차이를 드러내었으며, 일부 생성기는 작은 ΔR(b1, b2)에서 수익률을 과소평가하고 있었다.
• 데이터는 고속도에서의 하드, 공선 분열 및 고무거운 쿼크 생성의 모델링에 대해 적절한 무거운 쿼크 질량 효과와 일관된 재정규화 스케일 선택을 포함한 모델을 선호하는 것으로 나타났다.
• 이러한 결과는 고속도 제트에서의 하드, 공선 분열 및 고무거운 쿼크 생성의 모델링에 대한 강력한 경험적 제약 조건을 제공하며, 직접적으로 힉스 보손 및 새로운 물리 현상 탐색에 영향을 미친다.