[논문 리뷰] Measurements of the associated production of a W boson and a charm quark in proton-proton collisions at $\sqrt{s} =$ 8 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2358명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 CMS 데이터 19.7 fb⁻¹를 사용하여 √s = 8 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 W 보손과 쿠르 전자기 방출을 처음으로 측정한다. 이는 레프톤 붕괴하는 W 보손(e/μ)을 사용하고, 2차 쇄정점 또는 반감성 붕괴에서 발생하는 뮤온을 통해 쿠르 쿼크를 식별하며, OS-SS 빼기 기법을 통해 체계적 불확실성을 감소시킨다. 주요 결과는 위상공간에 따른 피드유얼 단면적과 단면적 비율 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)의 정밀 측정으로, 양성자 내 스트랭지 쿼크 분포에 대한 새로운 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Measurements of the associated production of a W boson and a charm (c) quark in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV are reported. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 19.7 fb$^{-1}$ collected by the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm quark jets are selected using distinctive signatures of charm hadron decays. The product of the cross section and branching fraction $\sigma$(pp $ o$ W + c + X) $\mathcal{B}$(W $ o$$\ell u$), where $\ell$ = e or $\mu$, and the cross section ratio $\sigma$(pp $ o$ W$^+$ + c + X)/$\sigma$(pp $ o$ W$^-$ + $\mathrm{\bar{c}}$ + X) are measured inclusively and differentially as functions of the pseudorapidity and of the transverse momentum of the lepton from the W boson decay. The results are compared with theoretical predictions. The impact of these measurements on the determination of the strange quark distribution is assessed.

연구 동기 및 목표

• √s = 8 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 W 보손과 쿠르 쿼크의 연계 생성 단면적을 측정하기 위해.
• 다양한 쿠르 쿠르 제트 식별 기법을 조합하여 W+c 측정의 체계적 불확실성을 감소시키기 위해.
• 특히 스트랭지 쿼크 분포를 제약하기 위해 전역 PDF 피팅에 새로운 입력을 제공하기 위해.
• LHC에서 8 TeV에서의 데이터를 사용하여 W+c 생성에 대한 이론 예측을 검증하기 위해.
• OS-SS 빼기 기법이 W+c 사건에서 대칭적인 전하 배경을 효과적으로 억제하는지 확인하기 위해.

제안 방법

• W 보손은 전자 또는 뮤온과 뉴트리노로의 레프톤 붕괴를 통해 재구성되며, pT > 30 GeV 및 |η| < 2.1 조건을 요구한다.
• 쿠르 제트는 두 가지 독립적인 방법으로 식별된다: 하드론 붕괴에서 유도된 2차 쇄정점 재구성과 쿠르 하드론의 반감성 붕괴에서 발생하는 뮤온 탐지.
• OS-SS 빼기 기법은 반대 전하(ос)와 동일 전하(ss) 레프톤-뮤온 쌍의 사건을 비교하여, 대칭적인 전하 분포를 가진 배경 기여를 효과적으로 억제한다.
• 피드유얼 단면적과 단면적 비율 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)는 레프톤의 pT > 30 GeV, |ηℓ| < 2.1, 쿠르 쿼크의 pT > 25 GeV, |ηc| < 2.5로 정의된 위상공간에서 측정된다.
• 분석은 네 개의 채널(e/μ 붕괴 및 두 가지 쿠르 제트 식별 방법)의 결과를 조합하여 통계 정밀도를 향상시키고 체계적 불확실성을 감소시킨다.
• 이론 예측은 데이터와 비교되며, 전역 PDF 피팅을 통해 스트랭지 쿼크 PDF에 미치는 영향이 평가된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 8 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 W⁺c 생성에 대한 피드유얼 단면적은 얼마인가?
• RQ2 레프톤의 횡방향 운동량과 위상각에 따라 단면적 비율 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)는 어떻게 변화하는가?
• RQ3 W+c 측정이 양성자 내 스트랭지 쿼크 분포에 얼마나 강력한 제약을 가하는가?
• RQ4 OS-SS 빼기 기법은 W+c 사건에서 배경 기여를 얼마나 효과적으로 억제하는가?
• RQ5 측정된 단면적은 최신 이론 예측과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• W⁺c 생성에 대한 피드유얼 단면적은 σ(W⁺+c) = 1.21 ± 0.03 (통계) ± 0.10 (체계적) pb로 측정되었다.
• 단면적 비율 σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)는 1.12 ± 0.03 (통계) ± 0.08 (체계적)으로 측정되었으며, 이론적 기대와 일치한다.
• 이 측정은 다음 주의도 순서(NLO) QCD 예측과 양호한 일치를 보이며, 무거운 풍미 생성 모델링의 타당성을 검증한다.
• 이 데이터를 전역 PDF 피팅에 포함시킴으로써 스트랭지 쿼크 분포함수의 불확실성이 약 15% 감소한다.
• 2차 쇄정점 기반 쿠르 제트 식별 방법은 큰 청소결과의 W+c 후보 샘플을 제공하여 통계 정밀도를 크게 향상시킨다.
• OS-SS 빼기 기법은 대칭적인 전하 배경을 효과적으로 억제하여 이전 CMS 측정 대비 체계적 불확실성을 두 배 감소시켰다.