[논문 리뷰] Study of ttbb and ttW background modelling for ttH analyses

L. Ferencz, K. Grevtsov외 9명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 및 CMS 데이터를 사용한 $t\bar{t}H$ 분석에서 $t\bar{t}b\bar{b}$ 및 $t\bar{t}W$ 배경의 몬테카를로 시뮬레이션을 비교하며, 생성기 설정, 스케일 불확실성, 그리고 파arton 쇼머 매칭의 차이를 평가한다. 주요 결과로는 직접적인 실험적 비교를 가능하게 하기 위해 공통 기준 $t\bar{t}W$ 단면적 $722^{+70}_{-78}$ fb를 확립하였다.

ABSTRACT

This note presents Monte Carlo generator comparisons of the ttbb and ttW processes at particle level. The aim is to compare the modelling of important backgrounds to ttH measurements in multi-lepton final states and in the ttH(H->bb) decay channel and the treatment of the associated theory uncertainties for a combination of the full Run-2 ttH results from ATLAS and CMS. As a first step, modelling and theory uncertainties as used in ATLAS an CMS are compared in the relevant analysis regions. Significant differences in the treatment of systematic uncertainties between the experiments have been observed in ttbb and ttW. As a first step, ATLAS and CMS agreed on a common reference value of the inclusive ttW cross section to allow direct comparisons between experiments.

연구 동기 및 목표

• Run-2 데이터에서 ATLAS 및 CMS의 $t\bar{t}H$ 측정치를 위한 $t\bar{t}b\bar{b}$ 및 $t\bar{t}W$ 배경 모델링을 비교하기 위해.
• 특히 스케일 및 파톤 쇼머 효과에 대한 이론적 불확실성 처리 방식의 격차를 규명하고 정량화하기 위해.
• 직접적인 비교 및 향후 ATLAS 및 CMS 결과의 조합을 가능하게 하기 위해 공통 기준 $t\bar{t}W$ 단면적을 수립하기 위해.
• 다양한 MC 생성기, 융합 기법(예: FxFx), 그리고 전자기적 보정이 미치는 미세 분포에 대한 영향을 평가하기 위해.
• 실험 간 통합된 $t\bar{t}H$ 측정치에서의 이론적 불확실성 추정 전략을 통합하기 위해.

제안 방법

• ATLAS 및 CMS 분석에 관련된 단계 공간에서 안정한 입자 수준 분포를 비교하기 위해 Rivet 분석 툴킷을 사용하였다.
• 다양한 MC 생성기를 평가: MG5_aMC@NLO + Pythia8 (FxFx 및 비-FxFx 포함), Sherpa 2.2.10, 그리고 $t\bar{t}b\bar{b}$ 및 $t\bar{t}W$에 대한 Powheg-Box-Res.
• 역치 영역에서의 포함 단면적 및 정규화된 미세 분포를 비교하였으며, 주로 $H_{\text{T}}$, 제트 다중도, 렙톤/제트 운동량에 중점을 두었다.
• 재결합 및 인식 스케일을 중심 값의 ±50% 범위에서 변형하여 스케일 불확실성을 평가하였다.
• 트리 수준 전자기 보정의 포함 효과와 파톤 쇼머 튜닝 및 융합 스케일의 차이를 평가하였다.
• 실험 간 예측을 정규화하고 비교하기 위해 Ref. [50]의 $t\bar{t}W$ 단면적을 기준 값으로 사용하였다.

Figure 1: Examples of tree-level Feynman diagrams for $t\bar{t}b\bar{b}$ (left) and $t\bar{t}W$ (right).

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ATLAS 및 CMS는 생성기 선택 및 불확실성 처리 측면에서 $t\bar{t}b\bar{b}$ 및 $t\bar{t}W$ 배경을 어떻게 다르게 모델링하는가?
• RQ2 MG5_aMC@NLO+Pythia8, Sherpa, 그리고 Powheg-Box-Res 간의 $t\bar{t}W$ 예측에서 주요한 형태 및 정규화 차이의 원인은 무엇인가?
• RQ3 FxFx 융합, 파톤 쇼머 튜닝, 융합 스케일 선택이 제트 다중도 및 $H_{\text{T}}$ 분포에 미치는 영향은 어느 정도인가?
• RQ4 트리 수준 전자기 보정이 $t\bar{t}W$ 미세 분포에 미치는 영향은 얼마나 크며, 어떤가?
• RQ5 ATLAS 및 CMS의 $t\bar{t}H$ 결과 간 일관된 비교 및 조합을 가능하게 하기 위해 공통 기준 $t\bar{t}W$ 단면적을 설정할 수 있는가?

주요 결과

• MG5_aMC@NLO+Pythia8(FxFx)와 Sherpa 2.2.10 사이에서 제트 다중도 및 $H_{\text{T}}$ 분포에서 $t\bar{t}W$ 단면적 예측에 상당한 차이가 발견되었다.
• 포괄적인 $t\bar{t}W$ 단면적은 $722^{+70}_{-78}$ fb(스케일) ±7 fb (PDF)로 합의되어 실험 간 비교를 위한 공통 기준으로 사용되었다.
• 정규화된 분포에 대한 스케일 불확실성은 대부분의 영역에서 10% 이하였지만, 수용도 효과를 포함할 경우 중요해졌다.
• 트리 수준 전자기 보정은 고제트 다중도에서 단면적에 최대 20%의 차이를 유도하였지만, 형태적 영향은 일반적으로 미미하였다.
• MG5_aMC@NLO+Pythia8의 FxFx 융합 기법은 낮은 $H_{\text{T}}$에서 큰 영향을 미쳤으며, ATLAS 및 CMS 예측 간 뚜렷한 격차를 보였다.
• 유사한 양자역학적 정확도를 가짐에도 불구하고, 융합 스케일 또는 Pythia8 튜닝의 차이가 제트 활동성의 격차를 설명할 수 있으며, 이는 향후 추가 조사가 필요함을 시사한다.

Figure 2: Comparison of PP8 predictions for $t\bar{t}b\bar{b}$ and $t\bar{t}$ with the described settings using the observables defined in Table 4 in the fiducial analysis phase space. All predictions are normalised to one. The error bands are constructed from the statistical uncertainties and the s