[논문 리뷰] Measurement of single top-quark production in the s-channel in proton$-$proton collisions at $\mathrm{\sqrt{s}=13}$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim외 2954명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 139 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 이용해 √s = 13 TeV에서 s-채널 단일 탑 쿼크 생성을 측정한다. 신호 이벤트와 배경을 구분하기 위해 행렬 원소 방법을 사용하였으며, 관측된 단면적은 σ = 8.2⁺³.⁵₋².⁹ pb로 나타나, 배경만을 고려한 가설에 대해 3.3σ의 뜻밖의 일치를 보이며 표준모형 예측값 10.32⁺⁰.⁴⁰₋⁰.³⁶ pb와 일치한다.

ABSTRACT

A measurement of single top-quark production in the s-channel is performed in proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The analysis is performed on events with an electron or muon, missing transverse momentum and exactly two $b$-tagged jets in the final state. A discriminant based on matrix element calculations is used to separate single-top-quark s-channel events from the main background contributions, which are top-quark pair production and $W$-boson production in association with jets. The observed (expected) signal significance over the background-only hypothesis is 3.3 (3.9) standard deviations, and the measured cross-section is $\sigma=8.2^{+3.5}_{-2.9}$ pb, consistent with the Standard Model prediction of $\sigma^{\mathrm{SM}}=10.32^{+0.40}_{-0.36}$ pb.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 pp 충돌에서 s-채널 단일 탑 쿼크 생성 단면적을 측정하는 것.
• 핵심적인 표준모형 검증 채널인 s-채널 과정을 통해 탑 쿼크 전자약력 상호작용 상수를 탐색하는 것.
• 행렬 원소 방법 기반의 판별자 활용으로 단일 탑 쿼크 탐색의 민감도를 향상시키는 것.
• 고급 이벤트 분류 기법을 통해 탑 쿼크 쌍 생성 및 W+jets 생성의 배경 기여도를 감소시키는 것.
• LHC에서 가장 높은 에너지에서 정밀한 측정을 제공하여 QCD 및 효과적 양자장이론 예측을 검증하는 것.

제안 방법

• 분석은 ATLAS 검출기가 쌓은 √s = 13 TeV에서 139 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 이벤트는 고립된 전자 또는 뮤온, 큰 미소전하 운동량, 정확히 두 개의 b-태깅된 제트를 포함하도록 선별된다.
• 행렬 원소 방법은 주로 1차 순서 행렬 원소를 사용하여 각 이벤트가 신호(s-채널 탑)인지 배경(tt̄ 또는 W+jets)인지의 가능성을 계산한다.
• 판별자는 시뮬레이션된 신호 및 배경 이벤트를 기반으로 훈련되어, 신호와 배경 간의 분리 능력을 최대화한다.
• 제트 에너지 스케일, b-태깅 효율, 부분자 밀도 함수, 복사 효과 모델링에 대한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 신호 추출은 판별자 분포에 대해 프로파일-가능도 최적화를 사용하며, 배경 정규화는 자유로운 변수로 허용된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 s-채널 단일 탑 쿼크 생성의 측정 단면적은 얼마인가요?
• RQ2 관측된 신호의 유의수준은 배경만 존재하는 가설과 비교해 어떻게 되나요?
• RQ3 이전의 부스팅된 决定트리와 같은 방법에 비해 행렬 원소 방법 판별자가 배경 기각 능력을 얼마나 향상시키나요?
• RQ4 측정된 단면적은 NLO QCD 예측과 표준모형 예측과 얼마나 잘 일치합니까?
• RQ5 측정에서 지배적인 체계적 불확실성의 원인은 무엇입니까?

주요 결과

• 측정된 s-채널 단일 탑 쿼크 생성 단면적은 σ = 8.2⁺³.⁵₋².⁹ pb로, 표준모형 예측값 10.32⁺⁰.⁴⁰₋⁰.³⁶ pb와 일치한다.
• 배경만 존재하는 가설에 대한 관측된 유의수준은 3.3 표준편차이며, 기대 유의수준 3.9 표준편차와 비교된다.
• 행렬 원소 방법 판별자는 이전의 부스팅된 결정트리와 같은 접근 방식보다 더 뛰어난 신호-배경 분리 능력을 제공한다.
• 지배적인 체계적 불확실성은 제트 에너지 스케일, b-태깅 효율, 부분자 밀도 함수에서 기인한다.
• 중심질량 에너지가 증가함에 따라 s-채널 단면적과 W+jets 및 tt̄ 단면적의 비율이 증가하여 13 TeV에서 측정이 더 어려워진다.
• 결과는 탑 쿼크 전자약력 상호작용에 대한 표준모형의 타당성을 지지하며, 효과적 양자장이론에서 비정상적인 상호작용 상수를 제약한다.