[논문 리뷰] Measurement of differential ZZ + jets production cross sections in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram외 2374명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 수집한 138 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서의 프로톤-프로톤 충돌에서의 차등형 ZZ + 재진 생산 횡단단면을 정밀 측정한다. 이는 조각 수, pT, η, 이중재진 질량, ∆η, 그리고 네 렙톤의 질량에 따라 분포를 측정하며, 대부분의 영역에서 이론 예측과 양호한 일치를 보이나 특정 위상공간 영역에서는 개선이 필요한 모델링의 불일치를 확인한다.

ABSTRACT

Diboson production in association with jets is studied in the fully leptonic final states, pp $ o$ (Z$\gamma^*$)(Z/$\gamma^*$)+jets $ o$ 2$\ell$2$\ell'$+jets, ($\ell,\ell'$ = e or $\mu$) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected with the CMS detector at the LHC. Differential distributions and normalized differential cross sections are measured as a function of jet multiplicity, transverse momentum $p_\mathrm{T}$, pseudorapidity $\eta$, invariant mass and $\Delta\eta$ of the highest-$p_\mathrm{T}$ and second-highest-$p_\mathrm{T}$ jets, and as a function of invariant mass of the four-lepton system for events with various jet multiplicities. These differential cross sections are compared with theoretical predictions that mostly agree with the experimental data. However, in a few regions we observe discrepancies between the predicted and measured values. Further improvement of the predictions is required to describe the ZZ+jets production in the whole phase space.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 완전하게 렙톤 끝 상태에서의 ZZ + 재진 생산에 대한 차등형 횡단단면을 측정하기 위해.
• 복잡한 다보존, 다재진 끝 상태에서의 다음다음최고순서(NNLO) QCD 및 전자약력 예측의 타당성을 시험하기 위해.
• 이론 예측이 실험 데이터에서 벗어나는 위상공간 영역을 식별하여 현재 모델링의 잠재적 한계를 시사하기 위해.
• 벡터 보존과 재진을 포함한 고다중도 끝 상태에서의 QCD 및 전자약력 역학에 대한 이해를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 분석은 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 138 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 완전하게 렙톤 끝 상태에서 선택된다: pp → (Z/γ*) (Z/γ*) + 재진 → 2ℓ2ℓ′ + 재진, 여기서 ℓ, ℓ′ = e 또는 µ이다.
• 차등형 횡단단면은 재진 수(Njets), 운동량의 횡성분(pT), 허위 빠르기(η), 이중재진 질량, 두 개의 최고 pT 재진 사이의 ∆η, 네 렙톤의 질량(m4ℓ)에 대한 함수로 측정된다.
• 기본 신호 샘플은 이전의 POWHEG 생성기 대신 MADGRAPH5 aMC@NLO를 사용하여 생성된다.
• 검출기 효과를 보정하고 진짜 차등형 분포를 추출하기 위해 정규화된 편향 해소 방법이 적용된다.
• 이론 예측은 nNNLO+PS 계산을 포함하여 데이터와 비교된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 재진 수와 pT, η, 이중재진 ∆η 등의 운동량 변수에 따라 ZZ + 재진 생산의 차등형 횡단단면은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 현재의 NNLO QCD 및 nNNLO+PS 예측은 전체 위상공간에서 측정된 차등형 분포를 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ3 측정된 횡단단면이 이론 예측에서 크게 벗어나는 특정 운동량 영역이 있는가? 이는 모델링의 잠재적 결함을 시사하는가?
• RQ4 재진의 존재는 네 렙톤의 질량(m4ℓ) 분포에 어떤 영향을 미치며, 온쉘 Z 보손 조건이 있는지 여부에 따라 어떻게 달라지는가?

주요 결과

• 측정된 차등형 횡단단면은 대부분의 위상공간에서 이론 예측과 양호한 일치를 보이며, 특히 재진 수와 pT 분포에서 그러하다.
• 이중재진 질량 및 ∆η 분포의 특정 영역에서 불일치가 관측되며, 이론 예측이 데이터를 과소평가하거나 과대평가하는 경향을 보인다.
• 네 렙톤의 질량(m4ℓ) 분포는 표준모형(SM) 예측에 잘 맞아떨어지며, 온쉘 Z 영역(60–120 GeV)에서 유의미한 편차는 관측되지 않았다.
• MADGRAPH5 aMC@NLO 및 정규화된 편향 해소 방법의 사용은 이전 분석 대비 차등형 횡단단면 측정의 정밀도와 신뢰도를 향상시켰다.
• 결과는 표준모형과 일치하며 고도화된 QCD 및 전자약력 계산의 타당성을 지지하지만, 특정 운동량 영역에서의 이론적 보완이 필요함을 시사한다.
• ZZ 생성에 대한 피드유지 횡단단면은 이전 측정과 일치하며, 본 연구에서 사용된 분석 프레임워크의 타당성을 검증한다.