[논문 리뷰] Measurement of the cross section of top quark-antiquark pair production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2382명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터 138 fb⁻¹를 사용하여, 탑 쿼크-반쿼ark 쌍과 W 보손이 함께 생성되는 현상(ttW)에 대한 현재까지 가장 정밀한 측정을 제시한다. 다변량 분석 및 고도화된 레프톤과 b-제트 식별 기술을 활용하여, 포함형 ttW 분포단면적을 868 ± 40 (통계) ± 51 (계측) fb로 측정하였으며, 이는 두 표준편차 이내에서 표준모형과 일치한다.

ABSTRACT

The production of a top quark-antiquark pair in association with a W boson ($\mathrm{t\bar{t}}$W) is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analyzed data was recorded by the CMS experiment at the CERN LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with two or three leptons (electrons and muons) and additional jets are selected. In events with two leptons, a multiclass neural network is used to distinguish between the signal and background processes. Events with three leptons are categorized based on the number of jets and of jets originating from b quark hadronization, and the lepton charges. The inclusive $\mathrm{t\bar{t}}$W production cross section in the full phase space is measured to be 868 $\pm$ 40 (stat) $\pm$ 51 (syst) fb. The $\mathrm{t\bar{t}}$W$^+$ and $\mathrm{t\bar{t}}$W$^-$ cross sections are also measured as 553 $\pm$ 30 (stat) $\pm$ 30 (syst) and 343 $\pm$ 26 (stat) $\pm$ 25 (syst) fb, respectively, and the corresponding ratio of the two cross sections is found to be 1.61 $\pm$ 0.15 (stat) $^{+0.07}_{-0.05}$ (syst). The results are consistent with the standard model predictions within two standard deviations, and represent the most precise measurement of these cross sections to date.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 탑 쿼크-반쿼크 쌍과 W 보손이 함께 생성되는 현상(ttW)의 포함형 분포단면적을 측정하는 것.
• 더 큰 데이터 세트(138 fb⁻¹)와 고도화된 분석 기술을 활용하여 이전 측정보다 정밀도를 향상시키는 것.
• 전자약 상호작용 상호작용 및 잠재적 새로운 물리학에 민감한 전하 비대칭성(ttW⁺와 ttW⁻ 생성 간의 차이)을 조사하는 것.
• 최적화된 다변량 분석 및 기계학습 기반 식별 기술을 통해 비준수 레프톤과 잘못 식별된 제트 기여를 줄이는 것.
• 특히 QCD와 전자약 보정에서 다음 최고순서 수준의 이론 계산을 정교화하기 위한 핵심 입력 자료를 제공하는 것.

제안 방법

• 탑 쿼크와 W 보손의 붕괴 서명을 활용하여, 두 개 또는 세 개의 채워진 레프톤(전자 또는 뮤온)과 추가 제트를 포함하는 이벤트를 선별한다.
• 두 레프톤 최종 상태에서 신호와 배경을 구분하기 위해 다중클래스 신경망을 사용하여, 준수 레프톤과 비준수 레프톤 간의 최적 분리 성능을 확보한다.
• 세 레프톤 최종 상태에서는 제트 다중도, b-제트 함량 및 레프톤 전하 기반으로 이벤트를 분류하여 신호 감도를 향상시킨다.
• 제어 영역과 시뮬레이션을 포함한 데이터 기반 기법을 사용하여 배경를 추정하며, 비준수 레프톤과 잘못 재구성된 전자에 특별한 주의를 기울인다.
• 실험적(예: 레프톤 및 제트 에너지 스케일, b-태깅) 및 이론적(예: PDFs, 파arton 슈어 효과) 원인에 기인한 체계적 불확실성을 평가한다.
• 모든 신호 및 배경 성분과 그 불확실성을 포함한 프로파일 최대우도 추정을 통해 분포단면적을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 ttW 생성의 포함형 분포단면적은 얼마인가?
• RQ2 ttW⁺와 ttW⁻의 분포단면적은 어떻게 다른가? 측정된 전하 비대칭성은 무엇인가?
• RQ3 측정된 분포단면적은 표준모형 예측과 어느 정도 일치하는가? 그리고 새로운 물리학을 제약하는 데에는 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 고도화된 기계학습 기반 기술은 이전 분석 대비 신호 대 배경 분리 성능을 얼마나 향상시키는가?
• RQ5 개선된 레프톤 및 b-제트 식별 기술은 전체 측정 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 포함형 ttW 생성 분포단면적은 868 ± 40 (통계) ± 51 (계측) fb로 측정되었으며, 현재까지 가장 정밀한 결정이다.
• ttW⁺와 ttW⁻의 분포단면적은 각각 553 ± 30 (통계) ± 30 (계측) fb와 343 ± 26 (통계) ± 25 (계측) fb로 측정되었다.
• ttW⁺와 ttW⁻ 분포단면적의 비율은 1.61 ± 0.15 (통계) +0.07⁄−0.05 (계측)로 산출되었으며, 파르톤 분포 함수에서 예상되는 전하 비대칭성과 일치한다.
• 측정된 분포단면적은 표준모형 예측보다 크지만, 두 표준편차 이내에서 일치한다.
• 측정에는 데이터 루미노시티가 3.8배 증가(138 fb⁻¹)하고, 기계학습 기반 레프톤 및 b-제트 식별 기술이 향상되어 감도가 향상된 것이 기여하였다.
• 결과는 ttW 생성에 대한 다음 최고순서 양성자색역학 및 전자약 보정의 정교화를 위한 핵심 기준점이 된다.