[논문 리뷰] Measurement of the mass dependence of the transverse momentum of lepton pairs in Drell-Yan production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang외 2359명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 36.3 fb⁻¹를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 Drell-Yan 렙톤 쌍의 횡방향 운동량(pT) 의존성을 고정밀도로 측정한다. φ∗η는 저pT(ℓℓ)에 대한 강건한 대체 지표로 도입되었으며, 진동 질량 범위는 1 TeV까지 확장되었고, 시스템적 불확실성을 줄이기 위해 Z-보손 피크에 대한 미분 단면적 비율을 보고하여, 양자 chromodynamics(pQCD)와 소프트 글루온 재결합 모델에 대한 엄격한 시험을 제공한다.

ABSTRACT

The double differential cross sections of the Drell-Yan lepton pair ($\ell^+\ell^-$, dielectron or dimuon) production are measured as functions of the invariant mass $m_{\ell\ell}$, transverse momentum $p_\mathrm{T}(\ell\ell)$, and $\phi^*_\eta$. The $\phi^*_\eta$ observable, derived from angular measurements of the leptons and highly correlated with $p_\mathrm{T}(\ell\ell)$, is used to probe the low-$p_\mathrm{T}(\ell\ell)$ region in a complementary way. Dilepton masses up to 1 TeV are investigated. Additionally, a measurement is performed requiring at least one jet in the final state. To benefit from partial cancellation of the systematic uncertainty, the ratios of the differential cross sections for various $m_{\ell\ell}$ ranges to those in the Z mass peak interval are presented. The collected data correspond to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Measurements are compared with predictions based on perturbative quantum chromodynamics, including soft-gluon resummation.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 Drell-Yan 렙톤 쌍의 이중미분 단면적을 진동 질량(mℓℓ)과 횡방향 운동량(pT(ℓℓ))의 함수로 측정하는 것.
• Z-보손 공진산을 초월하여 mℓℓ 범위를 1 TeV까지 확장하여 QCD 예측의 향상된 시험을 위한 것.
• 저pT(ℓℓ) 영역을 탐색하기 위한 pT(ℓℓ) 측정의 고해상도 대체로 φ∗η 관측량을 사용하는 것.
• Z-피크 영역(80–90 GeV)과 다른 mℓℓ 범위의 단면적 비율을 제시하여 시스템적 불확실성을 감소시키는 것.
• 초기 상태 방사선과 제트 유도 기여를 연구하기 위해 최소한 한 개의 제트를 포함하는 사건을 포함하는 것.

제안 방법

• 분석은 √s = 13 TeV에서 CMS 검출기에서 수집한 36.3 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• φ∗η 변수는 이중 렙톤의 정지 프레임에서의 횡방향 개구각(∆φ)과 산란 각도(θ∗η)로부터 계산되며, 정의에 따라 φ∗η = tan[(π − ∆φ)/2] × sin(θ∗η)이다.
• 횡방향 운동량 pT(ℓℓ)는 두 렙톤의 4모멘타로부터 재구성되며, 주로 렙톤 운동량 불확실성에 의해 결정된다.
• 통계적 정밀도 향상과 시스템적 불확실성 감소를 위해 전자 및 뮤온 채널을 조합한다.
• 검출기 효과를 보정하기 위해 언폴딩 절차를 적용하고, 시스템적 불확실성은 제어 샘플과 시뮬레이션 비교를 통해 평가한다.
• Z-피크 영역(80–90 GeV)과 다른 mℓℓ 범위의 다양한 단면적 비율을 제시하여 공통 시스템적 불확실성을 억제한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 Drell-Yan 렙톤 쌍의 횡방향 운동량 스펙트럼은 50 GeV에서 1 TeV까지 넓은 진동 질량 범위에서 어떻게 변화하는가?
• RQ2 φ∗η 관측량이 직접적인 pT(ℓℓ) 측정에 비해 저pT(ℓℓ) 영역을 얼마나 더 정밀하게 탐색할 수 있는가?
• RQ3 다음 주요 순서(NLO) 및 소프트 글루온 재결합 예측이 다양한 mℓℓ 영역에서 측정된 pT(ℓℓ) 및 φ∗η 스펙트럼을 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ4 초기 상태 방사선과 제트 활동은 Drell-Yan 사건의 pT(ℓℓ) 분포에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다른 mℓℓ 범위의 단면적 비율이 Z-피크 영역과 비교할 때 측정 정밀도 향상과 시스템적 불확실성 감소에 어떤 기여를 하는가?

주요 결과

• 측정된 Drell-Yan 렙톤 쌍의 이중미분 단면적은 50 GeV에서 1 TeV까지 14개의 진동 질량 범위에 걸쳐 높은 정밀도로 제시되었으며, 전체 범위에서 일관된 결과를 보였다.
• φ∗η 관측량은 저pT(ℓℓ) 영역에서 뛰어난 해상도를 보이며, 재결합이 필수적인 연약한 글루온 영역의 세밀한 탐색이 가능했다.
• Z-피크 영역에 대한 단면적 비율은 시스템적 불확실성이 감소하여 많은 범위에서 1% 미만으로 나타나 이론 예측에 대한 민감도를 향상시켰다.
• 데이터는 소프트 글루온 재결합를 포함한 NLO pQCD 계산과 양호한 일치를 보였으며, 특히 재결합 효과가 지배하는 저pT(ℓℓ) 영역에서 뚜렷했다.
• 통합 샘플에서 pT(ℓℓ) 스펙트럼은 고pT에서 명백한 상승을 보였으며, 고정 순서 QCD 예측과 일치했다.
• 한 제트 최종 상태에서 pT(ℓℓ) 스펙트럼은 다수의 딱딱한 QCD 방출 기여로 인해 저값에서 증가했으며, 제트 태깅된 사건이 초기 상태 방사선에 민감함을 확인했다.