[논문 리뷰] Measurement of the inclusive $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ cross section in final states with at least one lepton and additional jets with 302 pb$^{−1}$ of pp collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 5.02 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, A.외 2399명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 2017년 LHC에서 저중첩도(Low-pileup) 주행 동안 쌓은 302 pb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 5.02 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 토프 쿼크 쌍(tt̄) 생성 단면적을 정밀하게 측정한다. 하나의 렙톤과 다수의 제트(포함된 b-태그된 제트 포함)를 가진 사건에서 신호와 배경을 분리하기 위해 다변량 분석 기법을 사용한 결과, 측정된 단면적은 62.5 ± 1.6 (통계)⁺².⁶₋².⁵ (계측오차) ± 1.2 (광도) pb로, NNLO 표준모형(SM) 예측값 69.5⁺³.⁵₋³.⁷ pb와 양호한 일치를 보인다.

ABSTRACT

A measurement of the top quark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$) production cross section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV is presented. The data were collected at the LHC in autumn 2017, in dedicated runs with low-energy and low-intensity conditions with respect to the default configuration, and correspond to an integrated luminosity of 302 pb$^{-1}$. The measurement is performed using events with one electron or muon, and multiple jets, at least one of them being identified as b quark (b tagged). Events are classified based on the number of all reconstructed jets and of b-tagged jets. Multivariate analysis techniques are used to enhance the separation between the signal and backgrounds. The measured cross section is 62.5 $\pm$ 1.6 (stat) $^{+2.6}_{-2.5}$ (syst) $\pm$ 1.2 (lumi) pb. A combination with the result in the dilepton channel based on the same data set yields a value of 62.3 $\pm$ 1.5 (stat) $\pm$ 2.4 (syst) $\pm$ 1.2 (lumi) pb, to be compared with the standard model prediction of 69.5$^{+3.5}_{-3.7}$ pb at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

연구 동기 및 목표

• 2017년 11월에 실시된 저강도 LHC 주행 동안 쌓은 저중첩도 데이터 샘플을 사용하여 √s = 5.02 TeV에서의 포함형 토프 쿼크 쌍 생성 단면적을 측정하는 것.
• 단일 렙톤과 다수의 제트(포함된 b-태그 제트 포함)를 분석하여 다변량 기법을 적용함으로써 정밀도를 향상시키는 것.
• 동일한 데이터 세트에서 단일 렙톤 및 이레프톤 최종 상태의 결과를 조합하여 통계적 유의성을 향상시키는 것.
• QCD에서 다음다음주요순서(NNLO)에서의 tt̄ 단면적에 대한 표준모형(SM) 예측을 시험하는 것.
• 정밀한 단면적 측정을 통해 부분자 분포 함수(PDF)를 제약하고 잠재적 새로운 물리 현상을 탐색하는 것.

제안 방법

• 2017년 11월에 실시된 저강도 LHC 주행 동안 √s = 5.02 TeV에서 수집된 302 pb⁻¹의 pp 충돌 데이터.
• 신호 감도를 높이기 위해 하나의 전자 또는 뮤온, 다수의 제트(≥4개), 최소한 하나의 b-태그 제트가 요구되는 이벤트 선택 기준.
• 주로 W+jets 및 Drell-Yan 배경과의 분리에 사용되는 다변량 분석 기법(예: 매트릭스 원소 방법 또는 부스팅된 결정 트리)을 적용.
• 다양한 이벤트 카테고리에 동시에 최대우도 추정을 수행하여 단면적을 추출하고 同시에 계측오차를 제약.
• 신호 및 제어 영역의 모델링을 위해 POWHEG(NLO)를 사용한 tt̄ 및 MADGRAPH5_aMC@NLO(NLO)를 사용한 배경의 몬테카를로 시뮬레이션.
• 제트 에너지 스케일, b-태그 효율성, 렙톤 재구성, 중첩도 및 광도에 대한 계측오차를 평가하였으며, 카테고리 간 완전한 상관관계를 고려.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 렙톤 + 제트 최종 상태를 사용하여 √s = 5.02 TeV에서의 토프 쿼크 쌍 생성 단면적을 측정한 결과는 무엇인가?
• RQ2 측정된 단면적은 QCD에서 다음다음주요순서(NNLO)에서의 표준모형(SM) 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ3 동일한 데이터 세트에서 단일 렙톤 및 이레프톤 최종 상태 측정 결과를 조합함으로써 정밀도가 얼마나 향상되는가?
• RQ4 제트 에너지 스케일, b-태그 및 렙톤 재구성에서 기인하는 계측오차가 최종 단면적 결과에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 5.02 TeV에서 측정된 단면적은 표준모형(SM) 예측에서 벗어나 있는가? 이는 새로운 물리 현상 또는 PDF 민감도를 시사하는가?

주요 결과

• 단일 렙톤 + 제트 최종 상태에서의 포함형 tt̄ 단면적 측정 결과는 62.5 ± 1.6 (통계)⁺².⁶₋².⁵ (계측오차) ± 1.2 (광도) pb이다.
• 이레프톤 채널과의 조합 결과, 단면적은 62.3 ± 1.5 (통계) ± 2.4 (계측오차) ± 1.2 (광도) pb로 도출되었으며, 통계 정밀도가 향상되었다.
• 측정된 값은 QCD에서 다음다음주요순서(NNLO)에 해당하는 pQCD와 NNLL 복합화를 고려한 표준모형(SM) 예측값 69.5⁺³.⁵₋³.⁷ pb와 일치한다.
• 주요 계측오차는 제트 에너지 스케일과 b-태그 효율성에서 기인하며, 그 다음으로 광도 및 렙톤 재구성 오차가 뒤를 이룬다.
• 저중첩도 환경(평균 중첩도 = 2)은 표준 LHC 조건에 비해 이벤트 재구성 및 배경 억제에 있어 뚜렷한 향상을 보였다.
• 결과는 부분자 분포 함수(PDF)에 대한 엄격한 시험을 제공하며, 이 에너지 영역에서 표준모형(SM)의 일관성을 뒷받침한다.