[论文解读] Measurement of the production cross section for W- and Z-bosons in association with jets in ATLAS

Stefan Ask|arXiv (Cornell University)|Jun 10, 2011

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 5

一句话总结

本论文首次报告了在 √s = 7 TeV 条件下，利用 ATLAS 探测器采集的 33 pb⁻¹ 数据，测量了 W⁺/W⁻ 和 Z 玻色子与喷胶子的联合产生过程。研究给出了作为喷胶子数量、喷胶子横动量以及 HT 函数的微分截面，首次将 W + 3-jet 截面与下一阶微分 QCD 计算进行比较，结果显示与 NLO 和多部分子矩阵元预测具有良好一致性，而 LO+部分子簇射模型在超过一个喷胶子的区域显示出显著偏差。

ABSTRACT

We report on the measurements of inclusive W+jets and Z+jets cross sections in proton-proton collisions at sqrt(s) = 7 TeV with the ATLAS detector. Cross sections, in both the electron and muon decay modes of the bosons, are presented as a function of jet multiplicity, the transverse momentum of the jets and the quantity HT which is the scalar sum of the pT in the event. Measurements are also presented of the ratios of cross sections. The measured cross sections are compared to different particle-level predictions, based on perturbative QCD, where the measured W+3jet cross section is for the first time compared with next-to-leading order calculations.

研究动机与目标

• 利用 ATLAS 探测器测量在 √s = 7 TeV 条件下，W⁺/W⁻ 和 Z 玻色子与喷胶子联合产生的总截面。
• 通过在多个运动学变量上将数据与 NLO、NNLO 及部分子簇射模拟进行比较，检验微扰 QCD 的预测。
• 评估蒙特卡洛生成器（MCFM、Alpgen、Sherpa、Pythia）在模拟 W/Z 玻色子关联多喷胶子末态时的可靠性。
• 使用逐箱反卷积方法对探测器效应进行修正，提供精确的截面测量结果。
• 量化背景及不确定性，特别是喷胶子能量标度、堆叠效应和亮度，以支持顶夸克和新物理搜索。

提出的方法

• 利用 ATLAS 探测器在 √s = 7 TeV 条件下收集的质子-质子碰撞数据，积分亮度为 33 pb⁻¹。
• 事件选择基于孤立轻子（e, μ），要求 pT > 20 GeV，|η| < 2.5（电子）或 |η| < 2.4（μ子），以及喷胶子要求 pT > 20 或 30 GeV 且 |η| < 2.8。
• 使用反-kT 算法（R = 0.4）进行喷胶子重建，并要求 ΔR(ℓ, jet) > 0.5 以抑制重叠贡献。
• 通过数据驱动方法估算 QCD 背景，而电弱和顶夸克过程则采用蒙特卡洛方法，W/jets 中污染 <10%，Z/jets 中污染 <5%。
• 通过逐箱反卷积方法校正探测器效应，使数据与理论预测在相同运动学区域内进行比较。
• 理论预测包括 NLO（MCFM、Blackhat–Sherpa）、NNLO（FEWZ）以及部分子簇射模型（Pythia、Alpgen、Sherpa），所有模型均与末态粒子匹配，τ > 10 ps。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量得到的 W⁺/W⁻ 和 Z 玻色子 + 喷胶子微分截面在喷胶子数量和 pT 上与 NLO QCD 预测相比如何？
• RQ2 部分子簇射模型（如 Pythia）在超过领先阶的情况下，对 W/Z + 喷胶子产生过程的描述有多准确，特别是在高喷胶子数量区域？
• RQ3 NLO 条件下 W + 3-jet 截面的首次实验测量结果是什么？其与理论预测的对比如何？
• RQ4 截面如何随喷胶子、轻子和中微子的横动量之和（HT）变化？这揭示了过程的硬标度信息如何？
• RQ5 这些高喷胶子数量测量中的主要系统误差来源是什么？它们对精度有何影响？

主要发现

• 首次将测量得到的 √s = 7 TeV 条件下 W + 3-jet 截面与 NLO 计算进行比较，结果显示与 Blackhat–Sherpa 预测具有良好一致性。
• Z → ee 截面随喷胶子数量的变化与 NLO（MCFM）及多部分子矩阵元（Alpgen、Sherpa）预测高度一致。
• LO+部分子簇射模拟（Pythia）在多于一个喷胶子的事件中与数据偏差显著，原因在于相空间覆盖不足及硬喷胶子建模不准确。
• 作为领先喷胶子 pT 和第二领先喷胶子 pT 函数的微分截面，在电子和μ子通道中，数据与 NLO 及基于矩阵元的 MC 预测均保持一致。
• 在 W → μν 通道中，HT（喷胶子、轻子和中微子的 pT 之和）函数的截面在 1–4 个喷胶子事件中，数据与 MC 预测具有良好一致性。
• 系统误差主要由喷胶子能量标度（~10%）主导，其次为堆叠修正（~5%）和亮度（~4%）。