[논문 리뷰] Measurement of the differential cross section for top-quark pair production in the dilepton channel at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the CMS detector

M. Savitskyi|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 29.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 2015년 CMS 검출기에서 확보한 2.2 fb⁻¹의 데이터를 이용해 13 TeV의 양성자-양성자 충돌에서 이레프톤 최종 상태에서 정규화된 미분 top-쿼크 쌍 생성 단면적을 측정한다. 운동량 재구성 및 편향 보정 기법을 사용하여, 연구는 표준모형 QCD 예측과 일반적인 일치를 보이며, 특히 고pT 영역에서 최고순서 및 다음 최고순서 Monte Carlo 시뮬레이션 예측보다 데이터에서 더 연약한 top 쿼크 횡방향 운동량 스펙트럼을 관측한다. 그러나 NLO 초과의 고정도 QCD 계산에서는 개선된 일치를 보인다.

ABSTRACT

In this poster we present measurements of normalized differential top quark pair $(t\bar{t})$ production cross sections using final states with two leptons $(ee, \mu\mu$, and $e\mu)$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the CERN LHC. The data were recorded in 2015 with the CMS detector and correspond to an integrated luminosity of 2.2 fb$^{−1}$. The ttbar production cross section is measured as a function of kinematic properties of the top quarks and the ttbar system in the full phase space, as well as of the jet multiplicity in the event in the fiducial phase space. Several perturbative QCD calculations are confronted with the data and are found to be broadly in agreement with the measured results.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서 이레프톤 채널에서의 top-쿼크 쌍 생성을 위한 정밀한 정규화된 미분 단면적 측정을 수행하기 위해.
• 현대적인 Monte Carlo 시뮬레이션과 고차수 QCD 계산을 비교하여 양자장론적 QCD 예측을 검증하기 위해.
• top 쿼크 쌍 생성의 이벤트 재구성 및 검출기 반응 성능을 평가하기 위해.
• 특히 제트 다중도 및 top 쿼크 pT 분포에서 데이터와 시뮬레이션 간의 격리가 발생하는 이유를 규명하고, 향후 파arton 샤워 및 행렬원 모델의 캘리브레이션을 위한 가이드라인을 제공하기 위해.

제안 방법

• 배경을 억제하기 위해 이중 반대 전하의 고립된 렙톤과 최소 두 개의 제트를 포함하는 이벤트를 선택하며, 이중 렙톤의 진동 질량, b-제트 식별, 부족한 횡방향 에너지에 추가 제약 조건을 적용한다.
• 측정된 횡방향 운동량과 부족한 에너지를 기반으로 중성미온의 운동량을 구하는 방정식 시스템을 풀어 top 쿼크 및 tt 시스템의 운동량 재구성을 수행하며, W 보존 및 top 쿼크 질량에 대한 제약 조건을 적용한다.
• 진짜 입자 수준 분포를 복원하기 위해 정규화된 특이값 분해(SVD) 편향 보정 방법을 사용하여 검출기 효과, 효율성 및 바이너리 간 이동을 교정한다.
• 측정은 전체 단면적(각기 top 쿼크 pT, 빠르기, tt 시스템 pT, 질량 및 빠르기)과 피드유얼 단면적(제트 다중도 Njets)에서 수행되며, MC 캘리브레이션을 위해 입자 수준에 보정을 적용한다.
• 다양한 Monte Carlo 생성기(Powheg+Pythia8, NNPDF3.0 PDFs)와 NLO 초과 정확도의 고차수 QCD 계산과 결과를 비교한다.
• 체계적 불확도를 평가하였으며, 가장 큰 기여는 top 쿼크 쌍 생성 모델링과 검출기 관련 효과에서 비롯된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현대적인 Monte Carlo 시뮬레이션은 13 TeV에서 이레프톤 채널의 top-쿼크 쌍 생성을 위한 미분 단면적을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ2 NLO 초과 정확도의 고차수 QCD 계산은 top 쿼크 및 tt 시스템 운동량 분포를 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ3 왜 고제트 다중도에서 데이터의 제트 다중도 분포는 MC 시뮬레이션과 격리되는가?
• RQ4 왜 데이터에서 top 쿼크 횡방향 운동량 스펙트럼이 최고순서 및 다음 최고순서 Monte Carlo 모델의 예측보다 더 연약한가?
• RQ5 관측된 격리는 top 쿼크 쌍 생성을 위한 행렬원 + 파톤 샤워 모델의 캘리브레이션 향상에 어떻게 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 전체 단면적에서 top 쿼크 횡방향 운동량(pT), 빠르기(y), tt 시스템 횡방향 운동량(pttT), 진동 질량(mtt), 빠르기(ytt)의 박스에서 정규화된 미분 단면적이 측정되었다.
• 피드유얼 단면적에서의 제트 다중도 분포는 고다중도(Njets ≥ 5)에서 데이터와 MC 시뮬레이션 간에 상당한 격리가 나타나며, 현재의 파톤 샤워 및 행렬원 모델링의 한계를 시사한다.
• 데이터에서 top 쿼크 pT 스펙트럼은 표준 MC 시뮬레이션의 예측보다 더 연약하며, NLO 초과 정확도의 고정도 QCD 계산에서는 개선된 일치를 보인다.
• 전반적인 측정 불확도는 3%에서 30% 사이이며, 가장 큰 기여는 top 쿼크 쌍 생성 모델링과 검출기 관련 체계적 오차에서 비롯된다.
• 모든 측정된 운동량 분포에서 현대적인 표준모형 QCD 예측, 특히 NLO 초과 정확도의 예측과 데이터는 일반적으로 일치한다.
• 결과는 고다중도 제트 이벤트와 특히 고pT 영역에서의 top 쿼크 pT 스펙트럼을 더 잘 기술하기 위해 Monte Carlo 생성기의 향후 캘리브레이션을 촉진한다.