[논문 리뷰] Measurement of the production of a $W$ boson in association with a charmed hadron in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13\,\mathrm{TeV}$ with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 111인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 13 TeV에서의 pp 충돌 데이터 140 fb⁻¹를 사용하여, 캐러멘 하드론(D⁺ 및 D*⁺)과 함께 생성된 W 보손의 정밀 측정을 제시한다. 재구성된 제2차 꼬리 점의 질량과 렙톤 운동량을 이용한 프로파일 가능도 적합을 통해, W⁻+D⁺의 피드유얼 단면적은 50.2 ± 0.2(통계)⁺².⁴₋².³ pb로 측정되었으며, 이는 NLO QCD 예측과 일치하며, 작은 s–s̄ 쿼크 해역 비대칭성을 시사한다.

ABSTRACT

The production of a $W$ boson in association with a single charm quark is studied using 140 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13\,\mathrm{TeV}$ proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The charm quark is tagged by a charmed hadron, reconstructed with a secondary-vertex fit. The $W$ boson is reconstructed from an electron/muon decay and the missing transverse momentum. The mesons reconstructed are $D^{\pm} o K^\mp \pi^\pm \pi^\pm$ and $D^{*\pm} o D^{0} \pi^\pm o (K^\mp \pi^\pm) \pi^\pm$, where $p_{ ext{T}}(e, \mu) > 30\,\mathrm{GeV}$, $|\eta(e, \mu)| < 2.5$, $p_{ ext{T}}(D) > 8\,\mathrm{GeV}$, and $|\eta(D)| < 2.2$. The integrated and normalized differential cross-sections as a function of the pseudorapidity of the lepton from the $W$ boson decay, and of the transverse momentum of the meson, are extracted from the data using a profile likelihood fit. The measured fiducial cross-sections are $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{-}{+}D^{+}) = 50.2\pm0.2\,\mathrm{(stat.)}\,^{+2.4}_{-2.3}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{+}{+}D^{-}) = 48.5\pm0.2\,\mathrm{(stat.)}\,^{+2.3}_{-2.2}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{-}{+}D^{*+}) = 51.1\pm0.4\,\mathrm{(stat.)}\,^{+1.9}_{-1.8}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, and $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{+}{+}D^{*-}) = 50.0\pm0.4\,\mathrm{(stat.)}\,^{+1.9}_{-1.8}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$. Results are compared with the predictions of next-to-leading-order quantum chromodynamics calculations performed using state-of-the-art parton distribution functions. The ratio of charm to anti-charm production cross-sections is studied to probe the $s$-$\bar{s}$ quark asymmetry and is found to be $R_c^\pm = 0.971\pm0.006\,\mathrm{(stat.)}\pm0.011\,\mathrm{(syst.)}$.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 D⁺ 및 D*⁺ 메손과 함께 생성된 W 보손의 피드유얼 단면적을 측정한다.
• 코발트 쿼크와 반코발트 쿼크 생성 비율을 분석하여, 이상 쿼크 파arton 분포 함수(PDF)를 탐색한다.
• 고정밀 LHC 데이터를 이용해 양성자 내의 s–s̄ 쿼크 해역 대칭성의 타당성을 검증한다.
• 청결하고 잘 모델링된 최종 상태인 W+D(∗) 생성을 분석함으로써, 이상 PDF에 대한 제약 조건을 향상시킨다.

제안 방법

• 제2차 꼬리 점 피팅을 이용해 D⁺ → K⁻π⁺π⁺ 및 D*⁺ → D⁰π⁺ → (K⁻π⁺)π⁺ 붕괴를 재구성한다.
• 전자 또는 뮤온으로의 렙톤 붕괴와 부족한 횡방향 운동량을 통해 W 보손을 식별한다.
• D(∗) 후보의 진동 질량과 W 붕괴 렙톤 운동량을 기반으로 신호 수확량을 추출하기 위해 프로파일 조건부 가능도 적합을 적용한다.
• 반대 전하와 같은 전하의 렙톤 쌍을 이용해 OS–SS 빼기 기법을 적용하여 다중제트 배경을 억제한다.
• 렙톤의 의사속도 및 D(∗) 메손의 횡방향 운동량에 대한 함수로 된 미분 단면적을 전체적으로 적합한다.
• 데이터 기반 및 시뮬레이션 기반 추정치로부터 사전 적합의 부수적 매개변수와 공분산 행렬을 사용해 체계적 불확실성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서의 pp 충돌에서 W⁻+D⁺ 생성에 대한 총 피드유얼 단면적은 얼마인가?
• RQ2 현대의 파arton 분포 함수를 사용한 NLO QCD 예측과 비교할 때, 측정된 W+D(∗) 단면적은 어떻게 되는가?
• RQ3 W+D(∗) 사건에서 코발트 쿼크와 반코발트 쿼크 생성 비율은 얼마이며, 이는 s–s̄ 쿼크 해역 비대칭성에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ4 W+D(∗) 최종 상태는 이전 측정보다 이상 쿼크 PDF에 대한 제약 조건을 향상시킬 수 있는가?

주요 결과

• W⁻+D⁺의 측정된 피드유얼 단면적은 50.2 ± 0.2(통계)⁺².⁴₋².³ pb로, NLO QCD 예측과 일치한다.
• W⁺+D⁻의 단면적은 48.5 ± 0.2(통계)⁺².³₋².² pb로 측정되어 이론적 기대와 양호한 일치를 보였다.
• 코발트 대 반코발트 생성 비율은 R±c = 0.971 ± 0.006(통계) ± 0.011(체계적)로 측정되었으며, 이는 작은 s–s̄ 비대칭성을 시사한다.
• 결과들은 s–s̄ 해역 쿼크 분포가 대칭임을 가정한 PDF 세트와 일치하며, 관련 빌로켄-엑스 영역에서의 비대칭성이 작다는 것을 시사한다.
• 렙톤의 의사속도 및 D(∗)의 횡방향 운동량에 대한 함수로 된 미분 단면적은 고정밀도로 추출되었으며, 검증에 사용되었다.
• 향후 PDF 전역 적합에 사용하기 위해 통계적 및 체계적 불확실성 공분산 행렬이 제공되었다.