[논문 리뷰] Measurement of the total and differential cross-sections of $ t\overline{t}W $ production in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim외 2929명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 111인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기에서 2015년부터 2018년까지 수집한 140 fb$^{-1}$의 데이터를 사용하여, $√{s} = 13$ TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 $t\bar{t}W$ 생성에 대한 총괄 및 미분 단면적을 최초로 측정한다. 포함 단면적은 $880 \pm 80$ fb로 측정되었으며, 이는 NNLO 이론 예측값인 $745 \pm 50$ fb와 양호한 일치를 보이며, 전하 비대칭성 포함 다양한 관측량에 대해 다수의 이론 모델과 비교하여 일관된 행동을 보인다.

ABSTRACT

Measurements of inclusive and differential production cross-sections of a top-quark-top-antiquark pair in association with a $W$ boson ($t\bar{t}W$) are presented. They are performed by targeting final states with two same-sign or three isolated leptons (electrons or muons) and are based on $\sqrt{s}=13$ TeV proton-proton collision data with an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$, recorded from 2015 to 2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The inclusive $t\bar{t}W$ production cross-section is measured to be $880 \pm 80$ fb, compared to a reference theoretical prediction of $745 \pm 50\, extrm{(scale)} \pm 13\, extrm{(2-loop approx.)} \pm 19\, extrm{(PDF,} α_{ extrm{S}})$ fb. Differential cross-section measurements characterise this process in detail for the first time. Several particle-level observables are compared with a variety of theoretical predictions, which generally agree well with the normalised differential cross-section results. Additionally, the relative charge asymmetry of $t\bar{t}W^{+}$ and $t\bar{t}W^{-}$ is measured inclusively to be ${A_{\mathrm{C}}^{\mathrm{rel}}} = 0.33 \pm 0.05$, in very good agreement with the theoretical prediction of $0.322 \pm 0.003\,\mathrm{(scale)} \pm 0.007\,\mathrm{(PDF)}$, as well as differentially.

연구 동기 및 목표

• 표준모형을 고정밀도로 시험하기 위해 $√{s} = 13$ TeV에서의 $pp$ 충돌에서 $t\bar{t}W$의 포함 및 미분 생성 단면적을 측정하는 것.
• 고급 이론 예측, 특히 NNLO QCD 및 NLO 전자약 보정과의 데이터 일치성을 평가하는 것.
• $t\bar{t}W^+$ 및 $t\bar{t}W^-$ 최종 상태의 상대 전하 비대칭도를 측정하여 CP-홀드 효과 및 새로운 물리 현상을 탐색하는 것.
• $t\bar{t}W$ 모델링의 불확실성을 줄여, 희귀 톰 및 힉스 물리 탐색에서 핵심 배경이 되는 요소를 개선하는 것.
• LHC에서 $t\bar{t}W$ 생성에 대한 최초의 미분 단면적 측정을 제공하여 이론 모델과의 상세한 비교를 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 2015년부터 2018년까지 ATLAS 검출기에서 수집한 $√{s} = 13$ TeV에서의 140 fb$^{-1}$의 $pp$ 충돌 데이터를 사용한다.
• 두 개의 같은 전하 또는 세 개의 고립된 렙톤(전자 또는 뮤온)을 포함하는 최종 상태를 타겟으로 하여 $t\bar{t}W$ 사건을 식별한다.
• 고급 다변량 및 운동량 기반 기법을 사용하여 톰 쿼크, W 보손 및 제트를 재구성하고 선별한다.
• 제어 영역과 신호 영역에서 신호 및 배경 기여도를 동시에 피팅하여 포함 단면적을 추출한다.
• 상대 운동량 관측량(예: 톰 쿼크의 횡방향 운동량 및 $t\bar{t}W$ 진동 질량)의 함수로 정규화된 형태로 미분 단면적을 측정한다.
• 이벤트 수준의 재구성 및 선별을 사용하여 $t\bar{t}W^+$와 $t\bar{t}W^-$ 수확량의 비율에서 상대 전하 비대칭도 $A^\text{rel}_C$를 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서의 $t\bar{t}W$ 포함 생성 단면적은 얼마이며, NNLO 이론 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ2 다양한 운동량 관측량에 걸쳐 $t\bar{t}W$ 생성의 미분 분포를 이론 모델이 얼마나 잘 기술하는가?
• RQ3 $t\bar{t}W^+$ 및 $t\bar{t}W^-$의 상대 전하 비대칭도 $A^\text{rel}_C$는 얼마이며, 표준모형 기대값과 어떻게 비교되는가?
• RQ4 다양한 몬테카를로 생성기들이 데이터의 정규화된 미분 단면적을 어느 정도 잘 재현하는가?
• RQ5 QCD 및 전자약 보정은 $t\bar{t}W$ 생성 메커니즘에 어떤 영향을 미치며, 이들은 일관되게 모델링되는가?

주요 결과

• 포함 $t\bar{t}W$ 생성 단면적은 $880 \pm 80$ fb로 측정되었으며, 이는 NNLO 이론 예측값인 $745 \pm 50$ fb와 일치한다.
• 측정된 상대 전하 비대칭도 $A^\text{rel}_C$는 $0.33 \pm 0.05$로, 표준모형 예측값인 $0.322 \pm 0.003$ (스케일) $\pm 0.007$ (PDF)와 뛰어난 일치를 보인다.
• 톰 쿼크의 횡방향 운동량 및 $t\bar{t}W$ 진동 질량를 포함한 다수의 관측량에 대해 정규화된 미분 단면적이 측정되었으며, 이는 이론 예측과 양호한 일치를 보였다.
• 거의 모든 관측량에서 $\chi^2$ $p$-값이 0.3 이상이었기 때문에, 데이터와 Sherpa 예측 간의 일치성이 확인되었다. 이는 모델-데이터 일치성이 양호함을 의미한다.
• NLO 전자약 보정은 $\sigma(t\bar{t}W)$ 예측에 양의 4.9% 보정 기여를 하였으며, 추가로 $tW$-산산각 및 실방출 도형의 기여도가 있었다.
• 본 연구는 LHC에서 $t\bar{t}W$ 생성에 대한 최초의 미분 측정을 제공하여, 희귀 물리 탐색에서 핵심 배경로서의 모델링 정밀도를 크게 향상시켰다.