[論文レビュー] Inclusive and differential cross-section measurements of $t\bar{t}Z$ production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector, including EFT and spin-correlation interpretations

G. Aad, B. Abbott+2933 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 104被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、140 fb⁻¹ の ATLAS データを用いて、√s = 13 TeV の pp 衝突において、包含的および微分的 $t\bar{t}Z$ 生産断面積の正確な測定を提示する。包含的断面積は $\sigma_{t\bar{t}Z} = 0.86 \pm 0.04_{\text{stat}} \pm 0.04_{\text{syst}}$ pb であり、標準模型予測と整合的である。また、$t\bar{t}Z$ イベントにおけるトップクォークスピン相関の初回測定も行われ、帰無仮説（相関なし）から 1.8 標準偏差のずれを示した。

ABSTRACT

Measurements of both the inclusive and differential production cross sections of a top-quark-top-antiquark pair in association with a $Z$ boson ($t\bar{t}Z$) are presented. Final states with two, three or four isolated leptons (electrons or muons) are targeted. The measurements use the data recorded by the ATLAS detector in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV at the Large Hadron Collider during the years 2015-2018, corresponding to an integrated luminosity of $140$ fb$^{-1}$. The inclusive cross section is measured to be $\sigma_{t\bar{t}Z}= 0.86 \pm 0.04~\mathrm{(stat.)} \pm 0.04~\mathrm{(syst.)}~$pb and found to be in agreement with the most advanced Standard Model predictions. The differential measurements are presented as a function of a number of observables that probe the kinematics of the $t\bar{t}Z$ system. Both the absolute and normalised differential cross-section measurements are performed at particle level and parton level for specific fiducial volumes, and are compared with NLO+NNLL theoretical predictions. The results are interpreted in the framework of Standard Model effective field theory and used to set limits on a large number of dimension-6 operators involving the top quark. The first measurement of spin correlations in $t\bar{t}Z$ events is presented: the results are in agreement with the Standard Model expectations, and the null hypothesis of no spin correlations is disfavoured with a significance of $1.8$ standard deviations.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV における多レプトン最終状態での包含的および微分的 $t\bar{t}Z$ 生産断面積の測定。
• $t\bar{t}Z$ イベントにおけるトップクォークスピン相関の初回測定。
• 標準模型効果的場理論（SMEFT）の文脈で結果を解釈し、トップクォークを含む次元6オペレーターに関する制限を設定。
• unfolded 粒子レベルおよびパートンレベルの微分断面積を NLO+NNLL 理論的予測と比較。
• 物体再構築、バックグラウンド推定、システムティック不確実性モデル化の改善を通じた精度向上。

提案手法

• 包含的断面積の抽出および検出器レベルのデータを粒子レベルおよびパートンレベルの観測量にアンフォールドするために、プロファイル尤度フィットが用いられた。
• 二レプトン、三レプトン、四レプトン最終状態のための信号領域が定義され、厳密なレプトンおよびジェットの識別と再構築が行われた。
• プロンプトおよび非プロンプト／偽レプトンのバックグラウンドは、データ駆動型技術と制御領域を用いて推定された。
• 検出器効果、信号モデル、バックグラウンド推定に関するシステムティック不確実性が評価され、PDF、スケール、$\alpha_s$ の変動について詳細な取り扱いがなされた。
• アンフォールドは、検出器効果を補正し、粒子レベルおよびパートンレベルでの真の微分断面積を取得するためにプロファイル尤度手順によって実施された。
• SMEFT 解釈は、データを次元6オペレーターに射影することで実施され、ウィルスン係数に関する95%信頼水準の制限が設定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeV における $t\bar{t}Z$ 生産の包含的断面積は何か？ また、標準模型予測と比較するとどうなるか？
• RQ2 $H_T^\ell$、$\Delta\Phi$、$m_{t\bar{t}}$ などの運動量観測量に応じて、$t\bar{t}Z$ の微分断面積はどのように変化するか？
• RQ3 $t\bar{t}Z$ イベントにトップクォークスピン相関の証拠はあるか？ また、観測された相関は標準模型の予測とどのように比較されるか？
• RQ4 この測定から、トップクォークを含む次元6 SMEFT オペレーターに関する制限は何か？
• RQ5 NLO+NNLL 理論的予測は、粒子レベルおよびパートンレベルでのアンフォールド微分断面積をどの程度よく記述しているか？

主な発見

• 包含的 $t\bar{t}Z$ 断面積は $\sigma_{t\bar{t}Z} = 0.86 \pm 0.04_{\text{stat}} \pm 0.04_{\text{syst}}$ pb として測定され、標準模型予測の $0.863^{+0.073}_{-0.085}$ pb と整合的である。
• $t\bar{t}Z$ イベントにおけるトップクォークスピン相関の初回測定では、帰無仮説（相関なし）から 1.8 標準偏差のずれが観測された。
• 粒子レベルおよびパートンレベルでのアンフォールド微分断面積は、$H_T^\ell$、$\Delta\Phi(\ell^+_t, \ell^-_{\bar{t}})$、$m_{t\bar{t}}$ などの複数の観測量において、NLO+NNLL 予測と良好な一致を示した。
• 理論的予測との適合性テストでは、p値は 0.02 から 0.97 の範囲にあり、大多数が 0.1 以上であったため、良好な一貫性が示された。
• トップクォークを含む 23 個の次元6 SMEFT オペレーターに関する制限が設定され、ウィルスン係数に関する 95% 信頼水準の境界は $-1.2 \times 10^{-3}$ から $1.1 \times 10^{-3}$ TeV⁻² の範囲であった。
• 物体補正の向上、より大きな統合された放射能（140 fb⁻¹）、および洗練されたシステムティック不確実性の取り扱いのおかげで、以前の ATLAS の結果に比べて精度が向上した。