[논문 리뷰] Measurement of inclusive and differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13.6 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen외 2397명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 2022년 CMS 데이터 34.7 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13.6 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 W 보손과 함께 단일 탑 쿼크 생성( tW)의 포함 및 미분 단면적을 처음으로 측정한다. 다변량 판별자를 사용하여 주로 탑 쿼크 쌍 배경과 tW 신호를 분리하고, 포함 단면적을 82.3 ± 2.1 (통계) +9.9/−9.7 (계측) ±3.3 (광도) pb로 측정하였으며, 이는 QCD에서 다음 최고 순서의 표준 모형 예측과 일치한다.

ABSTRACT

The first measurement of the inclusive and normalised differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13.6 TeV is presented. The data were recorded with the CMS detector at the LHC in 2022, and correspond to an integrated luminosity of 34.7 fb$^{−1}$. The analysed events contain one muon and one electron in the final state. For the inclusive measurement, multivariate discriminants exploiting the kinematic properties of the events are used to separate the signal from the dominant top quark-antiquark production background. A cross section of $ 82.3\pm 2.1{\left( extrm{stat} ight)}_{-9.7}^{+9.9}\left( extrm{syst} ight)\pm 3.3\left( extrm{lumi} ight) $ pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. A fiducial region is defined according to the detector acceptance to perform the differential measurements. The resulting differential distributions are unfolded to particle level and show good agreement with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.[graphic not available: see fulltext]

연구 동기 및 목표

• √s = 13.6 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 tW 생성의 포함 및 미분 단면적을 측정하기 위해.
• 최종 상태에서 지배적인 탑 쿼크 쌍(tt̄) 생성 배경 오염을 줄이기 위해.
• 이론과의 보다 정확한 비교를 위해 입자 수준로 전개된 유효 영역 수준의 미분 측정을 수행하기 위해.
• QCD에서 다음 최고 순서의 표준 모형 예측과 tW 생성 비율의 일관성을 테스트하기 위해.
• tW가 주요 불확도 원인인 탑 쿼크 쌍 단면적 측정에 정밀한 입력을 제공하기 위해.

제안 방법

• 운동량 특성에 기반하여 주로 tt̄ 배경과 tW 신호를 구분하기 위해 다변량 판별기(예: 부스팅된 결정 트리 또는 유사 기법)의 사용.
• 여러 이벤트 카테고리에 걸쳐 최대우도 추정을 적용하여 tW 신호 수확량을 추출하기 위해.
• 검출기 수용율에 기반한 유효 영역 정의로, 최종 상태에서 한 개의 뮤온과 한 개의 전자가 필요하다.
• 이동 행렬을 사용하여 검출기 효과를 보정하기 위해, 미분 분포를 입자 수준으로 전개하기 위해.
• 신호 및 배경 모델링을 위해 POWHEG+Pythia8 및 HERWIG++를 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 적용하며, NLO QCD 및 파동수 매칭을 포함한다.
• 실험적, 이론적, 광도 원인에 기인한 체계적 불확도 평가를 포함하여 PDF 및 αS 변화를 고려한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13.6 TeV에서 tW 생성의 포함 단면적은 얼마이며, 표준 모형 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 tW 생성의 미분 단면적은 탑 쿼크 횡방향 운동량 및 진동 질량과 같은 운동량 관측량에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ3 입자 수준으로 전개한 후, 측정된 미분 분포는 어떤 정도로 다음 최고 순서 QCD 예측과 일치하는가?
• RQ4 13.6 TeV에서 포함적 tt̄ 단면적 측정에서 tW 배경의 기여도는 어느 정도인가?
• RQ5 다이레프트 끝상태에서 tt̄ 배경을 억제하면서 tW 신호를 유지하는 데 다변량 기법은 얼마나 효과적인가?

주요 결과

• 포함 tW 생성 단면적은 82.3 ± 2.1 (통계) +9.9/−9.7 (계측) ±3.3 (광도) pb로 측정되었으며, 표준 모형 예측인 87.9+2.0/−1.9 (스케일) ±2.4 (PDF+αS) pb와 일치한다.
• 미분 단면적은 입자 수준으로 전개되었으며, 다음 최고 순서 QCD 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 유효 영역은 검출기 수용율에 기반하여 정의되었으며, 최종 상태에서 한 개의 뮤온과 한 개의 전자가 필요하다.
• 지배적인 배경은 탑 쿼크 쌍 생성으로, 가장 풍부한 카테고리에서 약 80%의 사건 기여를 하였다.
• 체계적 불확도는 주로 이론적 스케일 및 PDF 변화에 의해 결정되었으며, 광도 불확도는 ±3.3 pb 기여를 하였다.
• 이 측정은 tW가 주요 불확도 원인인 탑 쿼크 쌍 단면적 분석에 정밀한 입력을 제공한다.