[논문 리뷰] Measurement of the inclusive cross sections for W and Z boson production in proton-proton collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 5.02 and 13 TeV

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan외 2336명|arXiv (Cornell University)|2024. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 2017년 CMS 데이터에서 298 pb⁻¹ 및 206 pb⁻¹의 통합 루미너시를 사용하여 √s = 5.02 및 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서의 포함 W 및 Z 보손 생성 단면적을 정밀하게 측정한다. 감소된 시스테믹 불확실성을 가진 결과는 NNLO QCD 예측과 뛰어난 일치를 보이며, 두 에너지에서의 단면적 비율을 포함하여 양성자 파르톤 분포 함수(PDFs)에 대한 엄격한 제약 조건을 제공한다.

ABSTRACT

Measurements of fiducial and total inclusive cross sections for W and Z boson production are presented in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 5.02 and 13 TeV. Electron and muon decay modes ($ell$ = e or$\mu$) are studied in the data collected with the CMS detector in 2017, in dedicated runs with reduced instantaneous luminosity. The data sets correspond to integrated luminosities of 298 $\pm$ 6 pb$^{-1}$ at 5.02 TeV and 206 $\pm$ 5 pb$^{-1}$ at 13 TeV. Measured values of the products of the total inclusive cross sections and the branching fractions at 5.02 TeV are $\sigma$(pp $ o$ W+X)$\mathcal{B}$(W $ o$$\ell u$) = 7300 $\pm$ 10 (stat) $\pm$ 60 (syst) $\pm$ 140 (lumi) pb, and $\sigma$(pp $ o$ Z+X)$\mathcal{B}$(Z $ o$$\ell^+\ell^-$) = 669 $\pm$ 2 (stat) $\pm$ 6 (syst) $\pm$ 13 (lumi) pb for the dilepton invariant mass in the range of 60-120 GeV. The corresponding results at 13 TeV are 20480 $\pm$ 10 (stat) $\pm$ 170 (syst) $\pm$ 470 (lumi) pb and 1952 $\pm$ 4 (stat) $\pm$ 18 (syst) $\pm$ 45 (lumi) pb. The measured values agree with cross section calculations at next-to-next-to-leading-order in perturbative quantum chromodynamics. Fiducial and total inclusive cross sections, ratios of cross sections of W$^+$ and W$^-$ production as well as inclusive W and Z boson production, and ratios of these measurements at 5.02 and 13 TeV are reported.

연구 동기 및 목표

• √s = 5.02 및 13 TeV에서 pp 충돌에서 W 및 Z 보손 생성의 피드유얼 및 총 포함 단면적을 측정하기 위해.
• 개선된 pTmiss 및 렙톤 격리 조건을 적용한 전용 저루미너시 런을 통해 시스테믹 불확실성을 감소시키기 위해.
• 5.02 TeV 및 13 TeV에서 W⁺/W⁻ 및 포함 W/Z 생성 단면적 비율을 비교하기 위해.
• 양성자 파르톤 분포 함수(PDFs)를 제약하기 위한 고정밀 데이터를 제공하기 위해.
• QCD에서 이중-다음-최고-순서(Next-to-Next-to-Leading-Order, NNLO) 및 전자약력에서 다음-최고-순서(Next-to-Leading-Order) 보정 이론 예측을 검증하기 위해.

제안 방법

• 데이터는 2017년 전용 런 동안 CMS 검출기에서 수집되었으며, 순간 루미너시가 감소된 상태(5.02 TeV에서 1.3×10³³ cm⁻²s⁻¹, 13 TeV에서 2.5×10³³ cm⁻²s⁻¹)였다.
• W → ℓν 및 Z → ℓ⁺ℓ⁻의 렙톤 붕괴는 입자 흐름 알고리즘과 완전한 이벤트 재구성 방법을 사용하여 재구성되었다.
• 신호 과정에 대해 NLO QCD 시뮬레이션을 MADGRAPH5_aMC@NLO를 사용하고, 배경 과정에는 POWHEG를 사용하였으며, 이는 이중보손, 토프, Drell-Yan 기여를 포함하였다.
• 검출기 반응은 GEANT4를 사용하여 시뮬레이션하였고, 피킹업 상호작용은 PYTHIA 8.230의 CP5 터닝을 사용하여 시뮬레이션에 포함시켰다.
• 시스테믹 불확실성은 제어 영역, 캘리브레이션 방법, 및 운동량 스케일, 해상도, 격리 효율성에 대한 전용 연구를 통해 평가되었다.
• 루미너시 불확실성은 전용 루미너시 측정에서 유도되었으며, 단면적은 이중 루프 및 부족한 전단량 분포에 대한 동시 피팅을 통해 추출되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5.02 TeV에서의 포함 W 및 Z 보손 생성 단면적은 13 TeV에서의 값과 절대 크기 및 비율 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ2 측정된 단면적은 NNLO QCD 및 NLO 전자약력 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ3 단면적 측정의 정밀도는 어떠한가? 이전 결과와 비교해 시스테믹 불확실성은 어떻게 되는가?
• RQ4 5.02 TeV와 13 TeV에서 W⁺/W⁻ 및 W/Z 생성 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ5 이 측정치는 양성자 파르톤 분포 함수(PDFs)에 어떤 제약 조건을 제공하는가?

주요 결과

• 5.02 TeV에서 W⁺ 생성의 총 포함 단면적과 분해율의 곱은 σ(pp → W⁺ + X) × B(W⁺ → ℓν) = 7300 ± 10 (통계) ± 60 (시스테믹) ± 140 (루미너시) pb이다.
• 5.02 TeV에서 Z 보손 생성의 해당 값은 σ(pp → Z + X) × B(Z → ℓ⁺ℓ⁻) = 669 ± 2 (통계) ± 6 (시스테믹) ± 13 (루미너시) pb이며, 이중 루프 질량은 60–120 GeV 범위에 있다.
• 13 TeV에서는 W⁺에 대해 20480 ± 10 (통계) ± 170 (시스테믹) ± 470 (루미너시) pb, Z 보손에 대해 1952 ± 4 (통계) ± 18 (시스테믹) ± 45 (루미너시) pb이다.
• 측정된 단면적은 불확실성 범위 내에서 NNLO QCD 예측과 일치하며, 고정밀도 이론 프레임워크의 타당성을 검증한다.
• 5.02 TeV에서의 W⁺/W⁻ 생성 비율 및 W/Z 단면적 비율은 이전 결과에 비해 향상된 정밀도로 측정되었다.
• 5.02 TeV 및 13 TeV에서의 단면적 비율이 보고되었으며, 에너지 의존성과 PDF 제약 조건에 대한 직접 비교가 가능해졌다.