[논문 리뷰] Measurement of differential cross sections for the production of a $Z$ boson in association with jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

F. Canelli, B. Kilminster외 39명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 CMS에서 확보한 35.9 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 제트 보손과 함께 생성된 제트의 미분 단면적을 정밀하게 측정한다. Z 보손의 횡방향 운동량, 최대 5개의 제트에 대한 제트 운동학적 변수(pT, 빠르기) 및 제트 pT의 스칼라 합을 측정하며, 결과는 안정 입자 수준으로 전개되어 NLO QCD 및 몬테카를로 생성기와 비교된다. 이는 PDF 및 강한 상호작용 상수 연구를 위한 중요한 기준점이 된다.

ABSTRACT

A measurement is presented of the production of Z bosons that decay into two electrons or muons in association with jets, in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data were recorded by the CMS Collaboration at the LHC with an integrated luminosity of 35.9 fb$^{-1}$. The differential cross sections are measured as a function of the transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) of the Z boson and the transverse momentum and rapidities of the five jets with largest $p_\mathrm{T}$. The jet multiplicity distribution is measured for up to eight jets. The hadronic activity in the events is estimated using the scalar sum of the $p_\mathrm{T}$ of all the jets. All measurements are unfolded to the stable particle-level and compared with predictions from various Monte Carlo event generators, as well as with expectations at leading and next-to-leading orders in perturbative quantum chromodynamics.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 pp 충돌에서 최대 8개의 제트와 함께 생성된 Z 보손의 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 이전 CMS 측정을 초월하여 제트 다중도, 횡방향 운동량 및 빠르기 분포의 운동학적 범위를 확장하기 위해.
• 퍼트리뷰티브 QCD 예측을 검증하고 양성자 분포 함수(PDF) 제약 조건을 향상시키기 위해 고정밀 데이터를 제공하기 위해.
• 특히 제트 에너지 스케일 및 재구성 성능를 위한 검출기 校정의 기준점으로 기능하기 위해.
• 데이터와의 비교를 통해 몬테카를로 이벤트 생성기 및 고차수 QCD 계산의 신뢰성을 높이기 위해.

제안 방법

• 분석은 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 확보한 35.9 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 Z 보손이 두 개의 반대 전하를 가진 렙톤(e⁺e⁻ 또는 μ⁺μ⁻)으로 붕괴하고, 진동 질량이 71에서 111 GeV 사이인 경우에 선택된다.
• 제트는 반-kt 알고리즘과 반경 파rameter 0.5를 사용하여 재구성되며, 횡방향 운동량 순서로 정렬된다.
• 미분 단면적은 최대 5개의 제트에 대해 Z 보손의 pT, 제트의 pT, 제트의 빠르기 및 제트 pT의 스칼라 합(HT)에 대한 함수로 측정된다.
• 제트 다중도 분포는 8개의 제트까지 포함적(≥Njets) 및 배타적(정확히 Njets)으로 측정된다.
• 모든 측정은 검출기 효과 및 수용률 보정을 위해 베이지안 전개 방법을 사용하여 안정 입자 수준으로 전개된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 Z + 제트 생성의 미분 단면적은 Z 보손의 횡방향 운동량과 제트 운동학적 변수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 현재의 몬테카를로 이벤트 생성기와 NLO QCD 계산은 고다중도 제트 이벤트의 측정된 분포를 어느 정도 잘 기술하는가?
• RQ3 측정된 제트 다중도 및 스칼라 pT 합(HT) 분포는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 데이터는 양성자 분포 함수와 강한 상호작용 상수 αS 제약 조건에 대해 어느 정도 민감한가?
• RQ5 이벤트 생성기는 특히 고pT 영역에서 Z + 제트 이벤트의 운동학적 구조를 어느 정도 정확하게 재현하는가?

주요 결과

• 측정된 Z 보손 pT 및 제트 운동학적 변수의 미분 단면적은 모든 측정된 운동학적 영역에서 NLO QCD 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 포함적 제트 다중도 분포는 최대 8개의 제트까지 측정되었으며, 고다중도 영역까지 예측과 일치하는 행동을 보였다.
• 최대 5개의 제트에 대해 측정된 스칼라 pT 합(HT) 분포는 NLO QCD 및 현대적 이벤트 생성기에 의해 잘 기술되었다.
• 전개 절차는 검출기 효과를 성공적으로 보정하여 데이터와 이론 간의 안정 입자 수준에서 정밀한 비교를 가능하게 하였다.
• Z 보손 pT 스펙트럼의 고pT 尾부에서 불일치가 관측되어 현재의 양성자 샤워 모델에 잠재적인 한계가 있음을 시사하였다.
• 증가된 루미노시티와 확장된 운동학적 범위 덕분에 이전 측정보다 정밀도가 향상된 데이터를 통해 PDF 및 αS에 대한 강력한 제약 조건이 제공되었다.