[논문 리뷰] Measurement of the $ t\overline{t} $ production cross-section in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 5.02 TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 2017년 ATLAS 검출기에서 확보한 257 pb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 5.02 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 토퍼-쿼크 쌍(tt̄) 생성 단면적을 측정한다. 통합 결과인 σtt̄ = 67.5 ± 0.9 (통계) ± 2.3 (계측) ± 1.1 (광도) ± 0.2 (빔) pb는 NNLO+NNLL QCD 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 큰 Bjorken-x에서의 양성자 부분자 분포 함수에 대한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

The inclusive top-quark pair ($t\bar{t}$) production cross-section $σ_{t\bar{t}}$ is measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=5.02$ TeV, using 257 pb$^{-1}$ of data collected in 2017 by the ATLAS experiment at the LHC. The $t\bar{t}$ cross-section is measured in both the dilepton and single-lepton final states of the $t\bar{t}$ system and then combined. The combination of the two measurements yields $σ_{t\bar{t}} = 67.5 \pm 0.9 ext{(stat.)} \pm 2.3 ext{(syst.)} \pm 1.1 ext{(lumi.)} \pm 0.2 ext{(beam)}$ pb, where the four uncertainties reflect the limited size of the data sample, experimental and theoretical systematic effects, and imperfect knowledge of both the integrated luminosity and the LHC beam energy, giving a total uncertainty of 3.9%. The result is in agreement with theoretical quantum chromodynamic calculations at next-to-next-to-leading order in the strong coupling constant, including the resummation of next-to-next-to-leading logarithmic soft-gluon terms, and constrains the parton distribution functions of the proton at large Bjorken-$x$.

연구 동기 및 목표

• √s = 5.02 TeV에서의 포함형 토퍼-쿼크 쌍 생성 단면적 측정
• LHC의 5.02 TeV 운행 데이터를 활용하여 큰 Bjorken-x에서의 양성자 부분자 분포 함수(PDFs)에 대한 제약 조건 향상
• 중간 에너지 영역에서 양성역학(양자 색역학, QCD) 이론 예측의 검증
• 상관관계가 있는 계측 불확실성을 고려하여 이론-이중-전자 및 단일-전자 최종 상태의 측정값을 통합

제안 방법

• 분석은 2017년 ATLAS가 √s = 5.02 TeV에서 확보한 257 pb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.
• 이중-전자 채널은 반대 전하의 두 전자, 부족한 횡방향 동량, b-점검(제트)를 포함하는 사건을 식별한다.
• 단일-전자 채널은 한 개의 음성 전자, 부족한 횡방향 동량, 최소 두 개의 b-태깅이 된 제트를 포함하는 사건을 선별한다.
• 양측 채널에서 배경과의 신호 분리 향상을 위해 다변량 기법을 적용한다.
• 검출기 효과, 모델링, PDF, 빔 에너지/광도에 대한 계측 불확실성을 평가한다.
• 이중-전자 및 단일-전자 측정값을 상관관계가 있는 불확실성을 고려하여 통합하여 단일 단면적 값을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 검출기를 사용하여 √s = 5.02 TeV에서 측정된 tt̄ 생성 단면적은 얼마인가요?
• RQ2 이 에너지에서 측정된 단면적은 이론적 NNLO+NNLL QCD 예측과 어떻게 비교되나요?
• RQ3 이 측정은 큰 Bjorken-x에서의 글루온 부분자 분포 함수에 얼마나 큰 제약 조건을 제공하나요?
• RQ4 상관관계가 있는 계측 불확실성은 최종 통합 단면적에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ5 이 측정은 글로벌 PDF 피팅에 어떤 영향을 미치나요?

주요 결과

• 통합된 tt̄ 생성 단면적은 σtt̄ = 67.5 ± 0.9 (통계) ± 2.3 (계측) ± 1.1 (광도) ± 0.2 (빔) pb로 측정되었다.
• 측정의 총 불확실도는 3.9%이며, 주로 계측 및 통계 성분에 의해 결정된다.
• 결과는 NNLO+NNLL QCD 예측인 68.2 ± 4.8+1.9−2.3 pb와 뛰어난 일치를 보였다.
• 측정은 큰 Bjorken-x에서의 글루온 부분자 분포 함수를 제약 조건으로 제공하며, PDF 피팅을 향상시켰다.
• 동일 에너지에서의 CMS 측정값 63.0 ± 5.1 pb와 일치하였다.
• 톱 쿼크 질량에 ±1 GeV의 변동이 있을 경우 단면적은 ±3.2%에서 +3.3%로 변화한다.