[논문 리뷰] Measurement of the Inclusive and Fiducial Cross-Section of Single Top-Quark $t$-Channel Events in $pp$ Collisions at $\sqrt{s}$ = 8 TeV

Phillipp Tepel|arXiv (Cornell University)|2014. 11. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 20.3 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 $pp$ 충돌에서 $t$-채널 단일 토퍼크 생산의 피드유셜 단면적을 처음으로 측정한다. 신호와 배경을 분리하기 위해 신경망 판별기를 사용하여, 피드유셜 단면적은 $3.37 \pm 0.05~(\text{통계}) \pm 0.47~(\text{계측}) \pm 0.09~(\text{lumi.})$ pb로 도출되었으며, 이는 표준모형 예측과 일치하며, 95% 신뢰수준에서 $|V_{tb}| = 0.97^{+0.09}_{-0.10}$의 결정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This article presents the measurement of a $t$-channel single top-quark production fiducial cross-section in the lepton+jets channel with 20.3 fb$^{-1}$ of 8 TeV data using a neural-network discriminant. A fiducial cross-section quoted within the detector acceptance of $σ_{ m fid} = 3.37 \pm 0.05 \, (\mathrm{stat.}) \pm 0.47 \, (\mathrm{syst.}) \pm 0.09 \, (\mathrm{lumi.})~ ext{pb}$ is obtained. The total inclusive $t$-channel cross-section is calculated using the acceptance predicted by various Monte Carlo generators. If the acceptance from the a MC@NLO + Herwig event generator is used, a value of $σ_t = 82.6 \pm 1.2 \, (\mathrm{stat.}) \pm 11.4 \, (\mathrm{syst.}) \pm 3.1 \, (\mathrm{PDF}) \pm 2.3 \, (\mathrm{lumi.})~ ext{pb}$ is obtained, consistent with the Standard Model prediction. Using the ratio of the measured inclusive cross-section to the predicted cross-section and assuming that the top-quark-related CKM matrix elements obey the relation $|V_{tb}|\gg |V_{ts}|, |V_{td}|$, the coupling strength at the $W$-$t$-$b$ vertex is determined to be $|V_{tb}|=0.97^{+0.09}_{-0.10}$. Assuming that $|V_{tb}|\leq 1$ a lower limit of $|V_{tb}|>0.78$ is obtained at the 95% confidence level.

연구 동기 및 목표

• 이 논문은 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 $pp$ 충돌에서 $t$-채널 단일 토퍼크 생산의 피드유셜 단면적을 측정하고자 한다.
• 검출기 수용성과 운동량 조건에 의해 정의된 피드유셜 양상공간에 집중함으로써 모델 의존도를 줄이고자 한다.
• 측정된 단면적과 이론 예측을 바탕으로 $W$-톱-바텀 쿠퍼링 강도 $|V_{tb}|$를 추출하고자 한다.
• NLO+NNLL 계산과의 비교를 통해 측정 결과가 표준모형과 일치하는지 검증하고자 한다.

제안 방법

• 한 개의 고립된 레프톤($p_T > 25$ GeV, $|\eta| < 2.5$), 정확히 두 개의 제트($p_T > 30$ GeV, $|\eta| < 4.5$, $2.75 < |\eta| < 3.5$ 범위에서 $p_T > 35$ GeV), 한 개의 $b$-태깅 제트, 그리고 $E_T^{\text{miss}} > 30$ GeV 조건을 만족하는 이벤트를 선별하였다.
• 14개의 운동량 관측량을 입력으로 사용한 신경망을 훈련하여 신호와 배경 간의 분리 성능을 향상시켰으며, 데이터와 시뮬레이션 간의 일치 여부를 입력 변수에서 검증하였다.
• 다른 모든 과정에 대해 이론적 예측을 사용하여 배경 기여도를 추정하였고, 다중제트 배경만은 $E_T^{\text{miss}}$ 분포에 대한 빈도 기반 최대우도 적합을 통해 추출하였다.
• 다중제트 배경은 전자 채널에서는 제트-레프톤 방법, 뮤온 채널에서는 반-뮤온 방법을 사용하여 데이터 기반 기법에 기반해 모델링하였다.
• 피드유셜 단면적은 비율 $R_f = \epsilon_{\text{corr,sel}} / \epsilon_{\text{corr,fid}}$를 사용하여 계산하였으며, $\hat{\nu}$는 신경망 출력에 대한 적합에서 도출되었다.
• 포괄적 단면적은 a MC@NLO + Herwig와 같은 몬테카를로 생성기에서 얻은 수용율을 사용하여 피드유셜 단면적에서 외삽하였으며, 불확실성은 의사실험을 통해 전파되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이 논문은 $\sqrt{s} = 8$ TeV에서 $pp$ 충돌에서 $t$-채널 단일 토퍼크 생산의 피드유셜 단면적을 무엇으로 측정하였는가?
• RQ2 측정된 피드유셜 단면적은 NLO 및 매칭된 LO 생성기의 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 측정된 단면적을 바탕으로 $W$-톱-바텀 CKM 행렬 원소 $|V_{tb}|$의 측정값은 무엇인가?
• RQ4 만약 $|V_{tb}| \leq 1$이라면, $|V_{tb}|$에 대한 95% 신뢰수준 하한은 얼마인가?
• RQ5 특히 제트 에너지 스케일과 생성기 모델링에 기인한 체계적 불확실성은 단면적 측정의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 이 논문은 $t$-채널 단일 토퍼크 생산의 피드유셜 단면적을 $\sigma_{\text{fid}} = 3.37 \pm 0.05~(\text{통계}) \pm 0.47~(\text{계측}) \pm 0.09~(\text{lumi.})$ pb로 측정하였다.
• a MC@NLO + Herwig 생성기를 사용하여 외삽한 총 포괄적 $t$-채널 단면적은 $\sigma_t = 82.6 \pm 1.2~(\text{통계}) \pm 11.4~(\text{계측}) \pm 3.1~(\text{PDF}) \pm 2.3~(\text{lumi.})$ pb로 도출되었다.
• 측정된 피드유셜 단면적은 NLO+NNLL 이론 예측과 뛰어난 일치를 보였으며, POWHEG와 a MC@NLO 생성기 사용 시 1.7% 이내의 차이를 보였다.
• W-톱-바텀 접합부의 결합 강도는 $|V_{tb}| = 0.97^{+0.09}_{-0.10}$로 결정되었으며, CKM 행렬의 단위성과 일치한다.
• $|V_{tb}| \leq 1$라는 가정 하에 95% 신뢰수준에서 $|V_{tb}| > 0.78$의 하한이 확립되었다.
• 주요 체계적 불확실성은 제트 에너지 스케일 $\eta$-인터칼리브레이션과 $t$-채널 생성기 모델링에 기인하며, 총 불확실성 $\pm 14\%$에 상당한 기여를 하였다.