[论文解读] Measurement of the differential cross section for top-quark pair production in the dilepton channel at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the CMS detector

M. Savitskyi|arXiv (Cornell University)|Nov 29, 2016

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用2015年CMS探测器采集的2.2 fb⁻¹数据，对13 TeV质子-质子碰撞中双轻子末态的归一化微分top夸克对产生截面进行了测量。通过运动学重建与去卷积技术，研究发现数据与标准模型QCD预言总体一致，但数据中top夸克横动量谱在高pT区域比一阶和下一阶近似蒙特卡罗模拟预测的更平缓，而更高精度的QCD计算（超越NLO）则显示出更好的一致性。

ABSTRACT

In this poster we present measurements of normalized differential top quark pair $(t\bar{t})$ production cross sections using final states with two leptons $(ee, \mu\mu$, and $e\mu)$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV at the CERN LHC. The data were recorded in 2015 with the CMS detector and correspond to an integrated luminosity of 2.2 fb$^{−1}$. The ttbar production cross section is measured as a function of kinematic properties of the top quarks and the ttbar system in the full phase space, as well as of the jet multiplicity in the event in the fiducial phase space. Several perturbative QCD calculations are confronted with the data and are found to be broadly in agreement with the measured results.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV条件下，对双轻子道中top夸克对产生的归一化微分截面进行高精度测量。
• 通过将数据与现代蒙特卡罗模拟及高阶QCD计算进行比较，检验微扰QCD预言的准确性。
• 评估在top夸克对产生过程中事件重建与探测器响应的性能表现。
• 识别数据与模拟之间的差异，特别是在喷胶子多重性与top夸克pT分布方面，以指导后续部分子喷发与矩阵元模型的调校。

提出的方法

• 选择包含恰好两个电荷相反且孤立的轻子，以及至少两个喷胶子的事件，同时对双轻子不变质量、b夸克喷胶子识别和缺失横向动量施加额外约束，以抑制背景。
• 通过求解中微子动量的方程组，利用测量的横向动量与缺失能量，结合W玻色子和top夸克质量的约束，完成top夸克及tt系统运动学重建。
• 使用正则化奇异值分解（SVD）去卷积方法，校正探测器效应、效率及各箱间迁移，以恢复真实的粒子层次分布。
• 在完整相空间（用于top夸克pT、快度、tt系统pT、质量及快度）和事例相空间（用于喷胶子多重性Njets）中进行测量，对蒙特卡罗模拟进行粒子层次的校准。
• 将结果与多种蒙特卡罗生成器（Powheg+Pythia8，NNPDF3.0 PDF）及超越NLO精度的高阶QCD计算进行比较。
• 评估系统性不确定度，其中最大贡献来自top夸克对产生模型和探测器相关效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 现代蒙特卡罗模拟在13 TeV下对双轻子道中top夸克对产生微分截面的描述程度如何？
• RQ2 超越NLO精度的高阶QCD计算在多大程度上能准确描述top夸克与tt系统运动学分布的测量结果？
• RQ3 为何数据中高喷胶子多重性区域的喷胶子多重性分布与蒙特卡罗模拟存在差异？
• RQ4 数据中top夸克横动量谱是否比一阶和下一阶蒙特卡罗模型预测的更平缓？
• RQ5 观测到的差异能否为改进top夸尔斯对产生中矩阵元+部分子喷发模型的调校提供指导？

主要发现

• 在完整相空间中，对top夸克横动量（pT）、快度（y）、tt系统横动量（pttT）、不变质量（mtt）和快度（ytt）的分箱中，测量了top夸尔斯对产生的归一化微分截面。
• 在事例相空间中，喷胶子多重性分布显示在高多重性区域（Njets ≥ 5）存在显著差异，表明当前部分子喷发与矩阵元建模存在局限性。
• 数据中top夸尔斯pT谱比标准蒙特卡罗模拟预测的更平缓，而更高精度的QCD计算（超越NLO）则显示出更好的一致性。
• 整体测量不确定度范围为3%至30%，其中最大贡献来自top夸尔斯对产生建模和探测器相关系统效应。
• 在所有测量的运动学分布中，数据总体与现代标准模型QCD预言一致，包括超越NLO精度的预言。
• 结果提示需进一步调校蒙特卡罗生成器，以更准确描述高多重性喷胶子事件与top夸尔斯pT谱，特别是在高pT区域。