[논문 리뷰] Measurement of the production cross section for W- and Z-bosons in association with jets in ATLAS

Stefan Ask|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 10.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 데이터 33 pb⁻¹를 사용하여 √s = 7 TeV에서 W⁺/W⁻ 및 Z 보손과 함께 제트를 생성하는 최초의 측정을 제시한다. 제트 다중도, 제트 횡방향 운동량, HT에 대한 함수로 미분 단면적을 보고하며, NLO QCD 계산과의 첫 번째 비교를 통해 NLO 및 다중 파arton 행렬원소 예측과 양호한 일치를 보이며, LO+파트온 셔플 모델은 한 개 이상의 제트가 있는 영역에서 상당한 이격을 보인다.

ABSTRACT

We report on the measurements of inclusive W+jets and Z+jets cross sections in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector. Cross sections, in both the electron and muon decay modes of the bosons, are presented as a function of jet multiplicity, the transverse momentum of the jets and the quantity HT which is the scalar sum of the pT in the event. Measurements are also presented of the ratios of cross sections. The measured cross sections are compared to different particle-level predictions, based on perturbative QCD, where the measured W+3jet cross section is for the first time compared with next-to-leading order calculations.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 검출기로 √s = 7 TeV에서 제트와 함께 포함된 W⁺/W⁻ 및 Z 보손 생성 단면적을 측정하기 위해.
• 다양한 운동학적 변수에서 데이터를 NLO, NNLO 및 파트온 셔플 시뮬레이션과 비교하여 양자 양동역학 예측을 검증하기 위해.
• W/Z 보손과 함께 다중 제트 최종 상태를 모델링하는 데 있어 몽테카를로 생성기(MCFM, Alpgen, Sherpa, Pythia)의 신뢰성을 평가하기 위해.
• 빈-단위 역전개 방법을 사용하여 검출기 효과를 보정한 정밀한 단면적 측정을 제공하기 위해.
• 톱 쿼크 및 새로운 물리학 탐색에 사용하기 위해 배경 및 불확도, 특히 제트 에너지 스케일, 피로율 및 루미너스성의 주요 기여를 정량화하기 위해.

제안 방법

• ATLAS 검출기를 사용하여 √s = 7 TeV에서 양성자-양성자 충돌로부터 수집된 데이터로 통합 루미너스티 33 pb⁻¹를 사용한다.
• pT > 20 GeV, |η| < 2.5(전자) 또는 |η| < 2.4(양성자)인 고립된 렙톤(e, μ)과 pT > 20 또는 30 GeV, |η| < 2.8인 제트를 기반으로 이벤트 선택.
• R = 0.4인 반-kt 알고리즘을 사용하여 제트 재구성하고, 겹치는 기여를 억제하기 위해 ΔR(ℓ, 제트) > 0.5 조건을 적용한다.
• QCD 배경 추정은 데이터 기반 방법을 사용하고, 전자약 및 토프 과정에 대해서는 몽테카를로를 사용하며, W/제트에서의 오염은 10% 미만, Z/제트에서는 5% 미만이다.
• 검출기 효과는 동일한 운동학적 영역에서 데이터와 이론 예측을 비교하기 위해 빈-단위 역전개 방법을 사용하여 보정한다.
• 이론적 예측으로는 NLO(MCFM, Blackhat–Sherpa), NNLO(FEWZ), 파트온 셔플 모델(Pythia, Alpgen, Sherpa)가 포함되며, 모두 최종 상태 입자와 일치시키고 τ > 10 ps이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제트 다중도 및 pT에 따라 측정된 W⁺/W⁻ 및 Z 보손 + 제트의 미분 단면적은 NLO QCD 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 파트온 셔플 모델(예: Pythia)은 1차 순서를 초월하여 W/Z + 제트 생성을 얼마나 정확하게 기술하는가, 특히 고다중도 제트 영역에서 어떻게 되는가?
• RQ3 NLO에서의 첫 번째 실험 측정인 W + 3제트 단면적은 무엇이며, 이는 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 스칼라 합된 횡방향 운동량(HT)에 따라 단면적은 어떻게 변하는가, 그리고 이는 과정의 하드 스케일에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ5 이러한 고다중도 제트 측정에서 주요 시스템적 불확도의 기원은 무엇이며, 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• √s = 7 TeV에서 측정된 W + 3제트 단면적은 처음으로 NLO 계산과 비교되었으며, Blackhat–Sherpa 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 제트 다중도에 따른 Z → ee 단면적은 NLO(MCFM) 및 다중 파트온 행렬원소(Alpgen, Sherpa) 예측과 뛰어난 일치를 보였다.
• LO+파트온 셔플 시뮬레이션(Pythia)은 한 개 이상의 제트가 있는 사건에서 데이터와 빈약한 일치를 보였으며, 이는 부적절한 위상공간 커버리지 및 잘못된 하드 제트 모델링 때문이었다.
• 주로 제트의 pT 및 두 번째 주요 제트의 pT에 따른 미분 단면적은 전자 및 양성자 채널 모두에서 데이터와 NLO 및 ME 기반 MC 예측 간 일관된 일치를 보였다.
• 제트, 렙톤 및 뉴트리노의 pT 합산인 HT에 따른 단면적은 W → μν 채널에서 1~4개 제트 사건 전역에서 데이터와 MC 예측 간 양호한 일치를 보였다.
• 시스템적 불확도는 제트 에너지 스케일(~10%)이 주요 기여를 하였으며, 그 다음으로 피로율 보정(~5%) 및 루미너스티(~4%)가 뒤를 이었다.