[논문 리뷰] Measurement of inclusive and differential cross sections for single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2367명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 실험에서 2016–2018년 동안 수집한 138 fb⁻¹의 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 W 보손과 함께 단일 top 쿼크 생성( tW)의 포함 및 미분 단면적을 측정한다. 이중 렙톤 종단 상태(e±μ∓)에서 주로 발생하는 top 쿼크 쌍(tt̄) 배경과를 분리하기 위해 다변량 판별기를 사용하여 포함 단면적을 79.2 ± 0.9 (통계) +7.7⁄−8.0 (시스템) ±1.2 (광도) pb로 측정하였으며, 이는 NNLO에서의 표준모형 예측값 71.7 ± 1.8 (스케일) ±3.4 (PDF) pb와 일치한다.

ABSTRACT

Measurements of the inclusive and normalised differential cross sections are presented for the production of single top quarks in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used were recorded with the CMS detector at the LHC during 2016–2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{−1}$. Events containing one electron and one muon in the final state are analysed. For the inclusive measurement, a multivariate discriminant, exploiting the kinematic properties of the events is used to separate the signal from the dominant $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ background. A cross section of $ 79.2\pm 0.9{\left( extrm{stat} ight)}_{-8.0}^{+7.7}\left( extrm{syst} ight)\pm 1.2\left( extrm{lumi} ight) $ pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. For the differential measurements, a fiducial region is defined according to the detector acceptance, and the requirement of exactly one jet coming from the fragmentation of a bottom quark. The resulting distributions are unfolded to particle level and agree with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.[graphic not available: see fulltext]

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 pp 충돌에서 tW 생성의 포함 및 미분 단면적을 측정하는 것.
• 이중 렙톤 종단 상태(e±μ∓)에서 주요 tt̄ 배경을 줄이기 위해 다변량 분석 기법을 사용하는 것.
• 미분 측정을 위한 탐지기 수용도 및 b-제트 요구 조건에 기반한 피드유얼 영역을 정의하는 것.
• 측정된 분포를 입자 수준으로 편성하여 NLO QCD 예측과 비교하는 것.
• 새로운 물리 현상에 민감한 정밀한 표준모형 검증을 제공하는 것.

제안 방법

• 2016–2018년 동안 √s = 13 TeV에서 CMS 탐지기에서 수집한 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 활용한다.
• 운동량 변수를 기반으로 훈련된 다변량 판별기(TMVA)를 사용하여 e±μ∓ 종단 상태에서 tW 신호와 tt̄ 배경을 구분한다.
• 미분 단면적 측정을 위한 피드유얼 영역을 정의하며, 정확히 하나의 b-태그가 된 제트와 탐지기 수용도를 요구한다.
• 검출기 효과를 보정하기 위해 베이지안 방법을 사용하여 미분 분포를 입자 수준으로 편성한다.
• tW 신호는 POWHEG NLO 시뮬레이션을, 배경 추정에는 행렬 원소 방법을 사용한다.
• 제트 에너지 스케일, b-태그 효율성, 렙톤 재구성 및 광도에 대한 체계적 불확실성 보정을 적용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 pp 충돌에서 tW 생성의 포함 단면적은 얼마이며, 표준모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 tW 생성의 미분 단면적은 top 쿼크의 횡방향 운동량 및 진동 질량과 같은 운동량 변수에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 입자 수준으로 편성한 후 측정된 tW 단면적이 NLO QCD 예측과 얼마나 일치하는가?
• RQ4 다변량 판별기는 이중 렙톤 종단 상태에서 주요 tt̄ 배경을 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ5 포함 및 미분 tW 단면적 측정에서 지배적인 체계적 불확실성의 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 포함 tW 생성 단면적은 79.2 ± 0.9 (통계) +7.7⁄−8.0 (시스템) ±1.2 (광도) pb로 측정되었으며, 이는 NNLO에서의 표준모형 예측값 71.7 ± 1.8 (스케일) ±3.4 (PDF) pb와 일치한다.
• 피드유얼 영역은 탐지기 수용도 및 정확히 하나의 b-제트에 기반하여 정의되었으며, 분포는 입자 수준으로 편성되었다.
• 편성된 미분 분포는 연구된 모든 운동량 변수에서 NLO QCD 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 다변량 판별기는 tW 신호와 tt̄ 배경 간 효과적인 분리를 달성하였으며, e±μ∓ 종단 상태에서 신호의 유의도가 향상되었다.
• 체계적 불확실성은 제트 에너지 스케일(±7.7 pb)이 지배적이며, 이어 b-태그 효율성 및 광도(각각 ±1.2 pb)이다.
• 분석은 13 TeV에서 이중 렙톤 채널에서 정밀한 미분 tW 측정의 가능성을 입증하였으며, QCD 및 BSM 물리에 대한 엄격한 시험을 제공한다.