[論文レビュー] Measurement of inclusive and differential cross sections for single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2367 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、CMS実験が2016–2018年にかけて収集した138 fb⁻¹のデータを用いて、√s = 13 TeVの陽子-陽子衝突において、Wボソンと関連してシングルトップクォークが生成される過程（tW）の包含的および微分的断面積を測定した。e±μ∓最終状態におけるトップクォーク対（tt̄）背景が支配的である状況において、多変量識別子を用いてtW信号とを分離し、包含的断面積を79.2 ± 0.9（統計）+7.7⁄−8.0（系誤差）±1.2（ランプ）pbとして測定した。これは、NNLOにおける標準模型予測値71.7 ± 1.8（スケール）±3.4（PDF）pbと整合的である。

ABSTRACT

Measurements of the inclusive and normalised differential cross sections are presented for the production of single top quarks in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used were recorded with the CMS detector at the LHC during 2016–2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{−1}$. Events containing one electron and one muon in the final state are analysed. For the inclusive measurement, a multivariate discriminant, exploiting the kinematic properties of the events is used to separate the signal from the dominant $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ background. A cross section of $ 79.2\pm 0.9{\left( extrm{stat} ight)}_{-8.0}^{+7.7}\left( extrm{syst} ight)\pm 1.2\left( extrm{lumi} ight) $ pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. For the differential measurements, a fiducial region is defined according to the detector acceptance, and the requirement of exactly one jet coming from the fragmentation of a bottom quark. The resulting distributions are unfolded to particle level and agree with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.[graphic not available: see fulltext]

研究の動機と目的

• √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるtW生成の包含的および微分的断面積を測定すること。
• e±μ∓最終状態における主要なtt̄背景を、多変量解析手法を用いて低減すること。
• 微分的測定のためのフィducial領域を、検出器の受容性およびbジェット要件に基づいて定義すること。
• 微分的分布を粒子レベルにアンフォールドし、NLO QCD予測と比較すること。
• tW生成における標準模型の精密なテストを提供し、新しい物理に敏感であることを目的とする。

提案手法

• 2016–2018年にかけてCMS検出器が収集した138 fb⁻¹の陽子-陽子衝突データを用いる。
• e±μ∓最終状態におけるtW信号とtt̄背景を区別するために、運動量変数に基づいてトレーニングされた多変量識別子（TMVA）を適用する。
• 微分的断面積測定のため、正確に1つのbタグ付きジェットと検出器レベルの受容性を要件とするフィducial領域を定義する。
• 検出器効果を補正するために、ベイズ法を用いて微分的分布を粒子レベルにアンフォールドする。
• tW信号にはPOWHEG NLOシミュレーションを、背景推定には行列要素法を用いる。
• ジェットエネルギースケール、bタグ効率、レプトン再構築、およびランプに関する系統的誤差補正を適用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 13 TeVにおける陽子-陽子衝突におけるtW生成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 tW生成の微分的断面積は、トップクォークの横運動量やインバリアント質量といった運動量変数とともにどのように変化するか？
• RQ3 粒子レベルにアンフォールドした後、測定されたtW断面積は次-leading-order QCD予測とどの程度整合するか？
• RQ4 多変量識別子は、e±μ∓最終状態における主要なtt̄背景をどの程度効果的に抑制できるか？
• RQ5 包含的および微分的tW断面積測定における主要な系統的誤差要因は何か？

主な発見

• 包含的tW生成断面積は79.2 ± 0.9（統計）+7.7⁄−8.0（系誤差）±1.2（ランプ）pbとして測定され、NNLOにおける標準模型予測値71.7 ± 1.8（スケール）±3.4（PDF）pbと整合的である。
• フィducial領域は検出器受容性および正確に1つのbジェットを要件として定義され、分布は粒子レベルにアンフォールドされた。
• アンフォールドされた微分的分布は、研究されたすべての運動量変数においてNLO QCD予測と良好に一致している。
• 多変量識別子は、tW信号とtt̄背景の間で効果的な分離を達成しており、e±μ∓最終状態における信号の有意性が向上している。
• 系統的誤差はジェットエネルギースケール（±7.7 pb）が支配的であり、次にbタグ効率およびランプ（±1.2 pb）が続く。
• 本分析は、13 TeVにおけるe±μ∓チャンネルで精密な微分的tW測定が可能であることを示しており、QCDおよびBSM物理に対する厳密なテストを提供している。