[論文レビュー] Measurement of differential cross sections for the production of a $Z$ boson in association with jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

F. Canelli, B. Kilminster+39 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、√s = 13 TeV の陽子-陽子衝突において、CMSが取得した35.9 fb⁻¹のデータを用いて、ジェットを伴うZボソン生成の微分断面積の高精度測定を提示する。Zボソンの横運動量、ジェットの運動学的量（pT、急速度）まで5つのジェットまで、およびジェットpTのスカラー和（HT）の分布を測定し、安定粒子レベルにアンフォールドした結果をNLO QCD理論およびモンテカルロ生成器と比較することで、PDFおよび強い結合定数の研究における重要なベンチマークを提供する。

ABSTRACT

A measurement is presented of the production of Z bosons that decay into two electrons or muons in association with jets, in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data were recorded by the CMS Collaboration at the LHC with an integrated luminosity of 35.9 fb$^{-1}$. The differential cross sections are measured as a function of the transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) of the Z boson and the transverse momentum and rapidities of the five jets with largest $p_\mathrm{T}$. The jet multiplicity distribution is measured for up to eight jets. The hadronic activity in the events is estimated using the scalar sum of the $p_\mathrm{T}$ of all the jets. All measurements are unfolded to the stable particle-level and compared with predictions from various Monte Carlo event generators, as well as with expectations at leading and next-to-leading orders in perturbative quantum chromodynamics.

研究の動機と目的

• √s = 13 TeV における陽子-陽子衝突で、最大8つのジェットを伴うZボソン生成の微分断面積を測定すること。
• 従来のCMS測定を超えて、ジェット多重度、横運動量、急速度分布の運動学的カバレッジを拡大すること。
• 微小摂動的QCD予測の検証およびパートン分布関数（PDF）の制約を改善するための高精度データを提供すること。
• 特にジェットエネルギースケールおよび再構成性能の検定器キャリブレーションのベンチマークとして機能すること。
• データと比較することで、モンテカルロイベント生成器および高次のQCD計算の信頼性を高めること。

提案手法

• 分析には、√s = 13 TeV でCMS検出器が取得した35.9 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• Zボソンは、2つの電荷が反対のレプトン（e⁺e⁻ または μ⁺μ⁻）に崩壊するイベントを選択し、インヴァリアント質量が71〜111 GeV の範囲にあるものとする。
• ジェットは半径パrameterが0.5のアンチ-kTアルゴリズムを用いて再構成され、横運動量の降順に順序付けられる。
• 微分断面積は、最大5つのジェットについて、ZボソンのpT、ジェットのpT、ジェットの急速度、およびジェットpTのスカラー和（HT）の関数として測定される。
• ジェット多重度分布は、8つのジェットまで、インクルーシブ（≥Nジェット）およびエクスクルーシブ（正確にNジェット）の両方で測定される。
• すべての測定は、検出器効果および受容率を補正するためのベイズアンフォールド法を用いて、安定粒子レベルにアンフォールドされる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV におけるZ + ジェット生成の微分断面積は、Zボソンの横運動量およびジェットの運動学的量にどのように依存するか？
• RQ2 現在のモンテカルロイベント生成器およびNLO QCD計算は、高多重ジェット事象の測定分布をどの程度正確に記述できるか？
• RQ3 測定されたジェット多重度およびスカラーpT和（HT）分布は、理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ4 データは、パートン分布関数および強い結合定数αSの制約に対してどの程度感度を有するか？
• RQ5 イベント生成器は、特に高pT領域において、Z + ジェット事象の運動学的構造をどの程度正確に再現できるか？

主な発見

• ZボソンのpTおよびジェットの運動学的量に関する測定された微分断面積は、すべての測定された運動学的領域でNLO QCD予測と良好に一致している。
• インクルーシブなジェット多重度分布は最大8つのジェットまで測定され、高多重度領域まで予測と一貫した振る舞いを示している。
• 最大5つのジェットまでのスカラーpT和（HT）分布は測定され、NLO QCDおよび現代のイベント生成器によってよく記述されていることが判明した。
• アンフォールド手順により、検出器効果が効果的に補正され、データと理論の安定粒子レベルでの精密な比較が可能になった。
• ZボソンpTスペクトルの高pTテイルにおいて、現在のパートンシャワー・モデルの限界が示唆される乖離が観測された。
• 増加した統計的精度と拡張された運動学的カバレッジのおかげで、PDFおよびαSの制約が従来の測定よりも高精度に向上した。