[논문 리뷰] Measurement of the production cross section for a W boson in association with a charm quark in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2359명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 62인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 LHC의 CMS 실험에서 138 fb⁻¹의 데이터를 사용하여 √s = 13 TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 W + c 쿼크 생성 단면적을 고정밀도로 측정한다. OS-SS 차감 기법과 뮤온 및 제2차 정점을 통한 고급 c-쿼크 태깅을 활용하여 R±c 비율의 정밀도를 1%로 달성하였으며, R±c = 0.950 ± 0.005 (통계) ± 0.010 (계측)을 측정하였다. 이는 이상 쿼크의 부분론적 분포 함수에 대한 중요한 제약 조건을 제공하며, NNLO 양자 색역학 예측을 시험한다.

ABSTRACT

The strange quark content of the proton is probed through the measurement of the production cross section for a W boson and a charm (c) quark in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected with the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm jets are tagged using the presence of a muon or a secondary vertex inside the jet. The W+c production cross section and the cross section ratio $R^\pm_ ext{c}$ = $\sigma$(W$^+$+$\bar{ ext{c}}$)/$\sigma$(W$^-$+$ ext{c}$) are measured inclusively and differentially as functions of the transverse momentum and the pseudorapidity of the lepton originating from the W boson decay. The precision of the measurements is improved with respect to previous studies, reaching 1% in $R^\pm_ ext{c}$. The measurements are compared with theoretical predictions up to next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

연구 동기 및 목표

• √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌에서 포함형 및 미분형 W + c 생성 단면적을 향상된 정밀도로 측정하기 위해.
• R±c = σ(W+ + c)/σ(W− + c) 비율을 통해 양성자 내 이상 쿼크 부분론적 분포 함수(PDF)를 제약하기 위해.
• 양자 색역학에서 다음 다음 최고차수(NNLO) 및 전자약력학에서 다음 최고차수(NLO) 보정까지의 이론 예측을 시험하기 위해.
• 몬테카를로 이벤트 생성기의 정합성 검증 및 W 보손과 c 쿼크를 포함한 최종 상태의 캘리브레이션 향상하기 위해.

제안 방법

• 분석은 CMS 검출기에서 확보한 √s = 13 TeV에서의 양성자-양성자 충돌 데이터 138 fb⁻¹의 통합 루미너시를 사용한다.
• W 보손은 전자 또는 뮤온으로의 렙톤 붕괴와 뉴트리노와의 조합을 통해 식별된다.
• c 쿼크는 제트 내의 제2차 정점 또는 고립된 뮤온을 통해 태깅된다.
• OS-SS 차감 기법은 W 보손과 c 쿼크의 반대 부호 및 동일 부호 조합을 비교함으로써 배경을 억제한다.
• 측정 결과는 렙톤에 대해 pT > 35 GeV 및 |η| < 2.4, c 제트에 대해 pT > 30 GeV 및 |η| < 2.4인 영역에서 정의된 유효한 위상공간 내에서 입자 수준과 부분론적 수준으로 전개된다.
• 이론적 비교는 여러 PDF 세트(예: CT18, MMHT2014, NNPDF3.2)를 사용한 NNLO 양자 색역학 계산 및 NLO 예측과 이루어진다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 √s = 13 TeV에서 포함형 및 미분형 W + c 생성 단면적은 어떤가? 이는 향상된 정밀도로 측정되었는가?
• RQ2 R±c 비율은 얼마나 정밀하게 측정되었으며, 이는 s와 s̄ 쿼크 PDF 간의 비대칭성에 대해 무엇을 드러내는가?
• RQ3 NNLO 양자 색역학 예측은 측정된 단면적과 R±c 비율을 어느 정도 잘 묘사하는가?
• RQ4 현재의 몬테카를로 이벤트 생성기는 데이터와 비교해 볼 때 W + c 생성을 어느 정도 잘 모델링하는가?

주요 결과

• R±c 비율은 1%의 정밀도로 측정되어 R±c = 0.950 ± 0.005 (통계) ± 0.010 (계측)을 기록하였으며, 이는 이전 CMS 측정 대비 불확도를 50% 감소시킨 것이다.
• 측정된 R±c 값은 NNLO 양자 색역학 정밀도의 이론 예측과 일치하며, 현재 이상 쿼크 PDF 이해를 지지한다.
• 유효한 위상공간 내에서 포함형 W + c 단면적이 측정되었으며, 검출기 효과를 최소화하기 위해 부분론적 수준으로 전개되었다.
• 레프톤의 횡방향 운동량과 위상도에 대한 함수로 된 미분 단면적은 높은 통계적 및 계측 정밀도로 보고되었다.
• OS-SS 차감 기법은 톰 쿼크 및 W + cc 생성과 같은 주요 QCD 배경을 효과적으로 억제하였다.
• 결과는 NNLO 양자 색역학 계산에 대한 엄격한 시험을 제공하며, 특히 s̄ 쿼크에 대한 이상 쿼크 PDF의 비대칭성에 대한 제약 조건을 향상시켰다.