[논문 리뷰] Measurement of $t$-channel single-top-quark production in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2929명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 60인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 ATLAS 검출기에서 255 pb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 5.02$ TeV에서의 $pp$ 충돌에서 $t$-채널 단일-top-쿼크 생성을 처음으로 측정한다. $tq + \bar{t}q$ 생성의 포함형 횡단단면은 $27.1^{+4.4}_{-4.1}$ (통계) $^{+4.4}_{-3.7}$ (계측) pb로 측정되었으며, 비율 $R_t = 2.73^{+1.43}_{-0.82}$ (통계) $^{+1.01}_{-0.29}$ (계측)로 나타나 표준모형 예측과 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

The observation of the electroweak production of single-top-quarks is made using 255 $ ext{pb}^{-1}$ of proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. An event selection is used to identify single-top-quark candidates arising from $t$-channel production with the top quark decaying semi-leptonically. Events passing the selection are then used to measure the inclusive cross-section for the combined production of single-top-quarks and antiquarks, $\sigma({tq + \bar{t}q})$, and the ratio $R_t$ between these two. They are measured to be $\sigma({tq + \bar{t}q}) = 27.1^{+4.4}_{-4.1} ( ext{stat.}) ^{+4.4}_{-3.7} ( ext{syst.})$ pb and $R_t = 2.73^{+1.43}_{-0.82} ( ext{stat.}) ^{+1.01}_{-0.29} ( ext{syst.})$. The individual single-top-quark ($t q$) and single-top-antiquark ($\bar{t} q$) production cross-sections are measured to be $\sigma(t q) = 19.8^{+3.9}_{-3.1} ( ext{stat.}) ^{+2.9}_{-2.2} ( ext{syst.})$ pb and $\sigma(\bar{t}q) = 7.3^{+3.2}_{-2.1} ( ext{stat.}) ^{+2.8}_{-1.5} ( ext{syst.})$ pb. All measurements are in good agreement with the Standard Model predictions.

연구 동기 및 목표

• 이 채널에서 이전에 탐색되지 않은 $\sqrt{s} = 5.02$ TeV의 중심질량 에너지에서 $t$-채널 단일-top-쿼크 생성을 관측하고 측정하기 위해.
• $tq + \bar{t}q$ 생성의 포함형 횡단단면과 비율 $R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q)$를 측정하여 CKM 행렬 원소 $V_{tb}$의 검증을 위해.
• 이전의 고에너지 결과들과는 다른 배경과 검출기 계측 오차를 가진 더 낮은 에너지 스케일에서의 독립적인 측정을 제공하기 위해.
• 새로운 운동역학적 영역에서 전자기적 단일-top-쿼크 생성의 표준모형 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 반경사 붕괴($t \to bW^+ \to b\ell\!\!+\!\!\nu_\ell$)를 통해 $t$-채널 단일-top-쿼크 후보를 식별하기 위해 이벤트 선택 기준을 적용한다. 이는 $e$, $\mu$, $\tau$ 최종 상태에서 수행된다.
• 오염된 또는 비순수한 레프톤(예: 제트나 무거운 쿼크 붕괴에서 기인한) 레프톤을 억제하기 위해 중간 식별 기준과 엄격한 고립 기준을 사용하여 레프톤을 선택한다.
• 입자 흐름 알고리즘을 사용하여 제트를 재구성하고, 토프 쿼크와 반대 방향으로 움직이는 경량 쿼크 제트의 존재는 신호 위상 구조 식별을 향상시킨다.
• $W$+제트, $t\bar{t}$, $Z$+제트, 이중 보손 과정 등의 배경은 데이터 기반 기법과 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 추정한다.
• 레프톤의 $p_T$, 미량 운동량, 제트의 $p_T$와 같은 운동량 변수의 관측 분포를 동시에 피팅하여 횡단단면을 추출한다.
• 검출기 효과, 배경 모델링, 빛의 강도에 따른 체계적 오차는 평가되었으며, 최종 결과로 전파되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 $\sqrt{s} = 5.02$ TeV에서 $t$-채널 단일-top-쿼크 및 반-톱-쿼크 생성의 포함형 횡단단면은 얼마인가요?
• RQ2 $R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q)$의 비율은 얼마이며, 표준모형 예측과 비교해보면 어떻게 되나요?
• RQ3 이 낮은 중심질량 에너지에서 측정된 횡단단면은 이론적 예측과 어떻게 비교되나요?
• RQ4 ATLAS 검출기를 사용하여 $\sqrt{s} = 5.02$ TeV에서의 $pp$ 충돌에서 $t$-채널 단일-top-쿼크 생성을 관측하고 측정할 수 있나요?
• RQ5 $V_{tb}$를 통한 CKM 행렬의 단위성 검증을 위한 측정의 의미는 무엇입니까?

주요 결과

• $tq + \bar{t}q$ 생성의 포함형 횡단단면은 $\sigma(tq + \bar{t}q) = 27.1^{+4.4}_{-4.1}$ (통계) $^{+4.4}_{-3.7}$ (계측) pb로 측정되었다.
• 비율 $R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q)$는 $2.73^{+1.43}_{-0.82}$ (통계) $^{+1.01}_{-0.29}$ (계측)로 측정되었다.
• 단일-top-쿼크 생성의 개별 횡단단면은 $\sigma(tq) = 19.8^{+3.9}_{-3.1}$ (통계) $^{+2.9}_{-2.2}$ (계측) pb이다.
• 단일-top-항쿼크 생성의 개별 횡단단면은 $\sigma(\bar{t}q) = 7.3^{+3.2}_{-2.1}$ (통계) $^{+2.8}_{-1.5}$ (계측) pb이다.
• 모든 측정된 값은 표준모형 예측과 양호한 일치를 보이며, 전자기적 토프-쿼크 생성 메커니즘의 타당성을 지지한다.
• 이 측정은 이전의 $\sqrt{s} = 7$, 8, 13 TeV 결과들과는 다른 체계적 오차를 가진 더 낮은 중심질량 에너지에서 표준모형에 대한 새로운 독립적 검증을 제공한다.