[논문 리뷰] Measurement of t-channel production of single top quarks and antiquarks in pp collisions at 13 TeV using the full ATLAS Run 2 data sample

G. Aad, B. Abbott외 2967명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS Run 2 데이터 140 fb⁻¹를 사용하여 13 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 t-채널 단일 탑 쿼크 및 반탑 쿼크 생성의 고정밀 측정을 제시한다. σ(tq) = 137⁺⁸₋₈ pb 및 σ(ṫq) = 84⁺⁶₋₅ pb의 단면적을 보고하며, 비율 Rt = 1.636⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁴로, NNLO QCD 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 파arton 분포 함수(PDFs), 유효 필드 이론 연산자, 그리고 95% 신뢰수준에서 |Vtb| > 0.95의 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The production of single top quarks and top antiquarks via the t-channel exchange of a virtual W boson is measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV at the LHC using 140 fb$^{−1}$ of ATLAS data. The total cross-sections are determined to be $ \sigma (tq)={137}_{-8}^{+8} $ pb and $ \sigma \left(\overline{t}q ight)={84}_{-5}^{+6} $ pb for top-quark and top-antiquark production, respectively. The combined cross-section is found to be $ \sigma \left( tq+\overline{t}q ight)={221}_{-13}^{+13} $ pb and the cross-section ratio is $ {R}_t=\sigma (tq)/\sigma \left(\overline{t}q ight)={1.636}_{-0.034}^{+0.036} $. The predictions at next-to-next-to-leading-order in quantum chromodynamics are in good agreement with these measurements. The predicted value of R$_{t}$ using different sets of parton distribution functions is compared with the measured value, demonstrating the potential to further constrain the functions when using this result in global fits. The measured cross-sections are interpreted in an effective field theory approach, setting limits at the 95% confidence level on the strength of a four-quark operator and an operator coupling the third quark generation to the Higgs boson doublet: $ -0.37<{C}_{Qq}^{3,1}/{\Lambda}^2<0.06 $ and $ -0.87<{C}_{\phi Q}^3/{\Lambda}^2<1.42 $. The constraint |V$_{tb}$| > 0.95 at the 95% confidence level is derived from the measured value of $ \sigma \left( tq+\overline{t}q ight) $, assuming that the Wtb interaction is a left-handed weak coupling and that |V$_{tb}$| ≫ |V$_{td}$|, |V$_{ts}$|. In a more general approach, pairs of CKM matrix elements involving top quarks are simultaneously constrained, leading to confidence contours in the corresponding two-dimensional parameter spaces.[graphic not available: see fulltext]

연구 동기 및 목표

• 전체 ATLAS Run 2 데이터셋을 활용하여 t-채널 단일 탑 쿼크 및 반탑 쿼크 생성 단면적을 보다 정밀하게 측정한다.
• 단면적 비율 Rt가 u-쿼크 및 d-쿼크 PDF에 민감한 점을 이용하여 파arton 분포 함수(PDFs)를 제약한다.
• 유효 필드 이론(EFT)을 통해 표준모형을 시험하며, 4쿼크 연산자 및 힉스 결합 연산자의 윌슨 계수에 대한 제한을 설정한다.
• Cabibbo–Kobayashi–Maskawa(CKM) 행렬 원소 |Vtb|와 그 |Vtd| 및 |Vts|와의 상호작용을 동시에 제약한다.
• 고광도 데이터를 조합하고 고급 통계 및 체계적 오차 처리를 통해 뉴트론 물리 현상에 대한 민감도를 향상시킨다.

제안 방법

• 다양한 신호 및 제어 영역에서 다중제트 및 렙톤으로 붕괴하는 탑 입자 중심의 데이터에 대해 프로파일리그리티 계수를 적용한다.
• 배경 오염을 줄이기 위해 고급 물체 재구성 및 개선된 렙톤 위상/비정상 모델링을 사용한다.
• 최대우도 추정을 적용하여 신호 수익과 배경 기여도를 동시에 제약하며, 체계적 오차를 포함한다.
• NNLO QCD 예측을 사용하여 신호 및 배경 과정(예: tW, tW, ttt̄, 이이온 사건 포함)을 몬테카를로 시뮬레이션으로 모델링한다.
• EFT 매개변수에 대한 가능성 스캔을 수행하여 95% 신뢰수준에서 윌슨 계수 C3,1Qq/Λ² 및 C3ϕQ/Λ²의 제한을 유도한다.
• 일반화된 이차원 매개변수 공간 접근법을 사용하여 결과를 CKM 행렬 원소 제약 조건에 따라 해석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 140 fb⁻¹ 데이터로 13 TeV에서 t-채널 단일 탑 쿼크 및 반탑 쿼크 생성의 정밀한 단면적은 무엇인가?
• RQ2 NNLO QCD 예측은 측정된 단면적과 그 비율 Rt를 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ3 측정된 비율 Rt를 이용해 파arton 분포 함수(PDFs)에 대해 어떤 제약 조건을 설정할 수 있는가?
• RQ4 4쿼크 연산자 O3,1Qq 및 힉스 결합 연산자 O3ϕQ의 윌슨 계수에 대해 95% 신뢰수준에서의 제한은 무엇인가?
• RQ5 |Vtb|의 하한은 무엇이며, CKM 행렬 원소 |Vtb|, |Vts|, |Vtd|는 동시에 어떻게 제약되는가?

주요 결과

• t-채널 단일 탑 쿼크 및 반탑 쿼크 생성의 총 단면적은 σ(tq + ṫq) = 221⁺¹³₋₁₃ pb로 측정되었다.
• 탑 쿼크 생성의 단면적은 σ(tq) = 137⁺⁸₋₈ pb이며, 반탑 쿼크 생성의 단면적은 σ(ṫq) = 84⁺⁶₋₅ pb이다.
• 단면적 비율 Rt = σ(tq)/σ(ṫq)는 1.636⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁴로 측정되었으며, NNLO QCD 예측과 뛰어난 일치를 보였다.
• EFT 계수 C3,1Qq/Λ²에 대해 95% 신뢰수준에서 제한을 설정하여 −0.37 < C3,1Qq/Λ² < 0.06을 도출하였다.
• 힉스 결합 연산자에 대한 제약 조건은 95% 신뢰수준에서 −0.87 < C3ϕQ/Λ² < 1.42를 제공하였다.
• 좌측 편향된 Wtb 결합을 가정하고 |Vtb| ≫ |Vtd|, |Vts|일 경우, 95% 신뢰수준에서 |Vtb| > 0.95의 하한을 도출하였다.