[论文解读] A precise measurement of the Z-boson double-differential transverse momentum and rapidity distributions in the full phase space of the decay leptons with the ATLAS experiment at $\sqrt s$ = 8 TeV

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2930 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 66被引用 1

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 8 TeV下采集的20.2 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，首次实现了对衰变轻子全相空间中Z玻色子产生的精确双微分测量。通过在Collins-Soper参考系中进行角动量分解，该研究在归一化截面中实现了亚百分之一的精度，不确定性从|y| < 2.0时的0.5–1.0%上升至更高快速度时的2–7%，并与包含N4LL重求和及N3LO固定阶计算的最先进QCD预言结果表现出良好一致性。

ABSTRACT

This paper presents for the first time a precise measurement of the production properties of the Z boson in the full phase space of the decay leptons. This is in contrast to the many previous precise unfolded measurements performed in the fiducial phase space of the decay leptons. The measurement is obtained from proton-proton collision data collected by the ATLAS experiment in 2012 at $\sqrt s$ = 8 TeV at the LHC and corresponding to an integrated luminosity of 20.2 fb$^{-1}$. The results, based on a total of 15.3 million Z-boson decays to electron and muon pairs, extend and improve a previous measurement of the full set of angular coefficients describing Z-boson decay. The double-differential cross-section distributions in Z-boson transverse momentum p$_T$ and rapidity y are measured in the pole region, defined as 80 $&lt;$ m $&lt;$ 100 GeV, over the range $|y| &lt;$ 3.6. The total uncertainty of the normalised cross-section measurements in the peak region of the p$_T$ distribution is dominated by statistical uncertainties over the full range and increases as a function of rapidity from 0.5-1.0% for $|y| &lt;$ 2.0 to 2-7% at higher rapidities. The results for the rapidity-dependent transverse momentum distributions are compared to state-of-the-art QCD predictions, which combine in the best cases approximate N$^4$LL resummation with N$^3$LO fixed-order perturbative calculations. The differential rapidity distributions integrated over p$_T$ are even more precise, with accuracies from 0.2-0.3% for $|y| &lt;$ 2.0 to 0.4-0.9% at higher rapidities, and are compared to fixed-order QCD predictions using the most recent parton distribution functions. The agreement between data and predictions is quite good in most cases.

研究动机与目标

• 测量衰变轻子全相空间中的Z玻色子产生，突破束缘区域限制。
• 在Z玻色子峰区，提高作为横动量(pT)与快速度(y)函数的双微分截面测量精度。
• 测试结合近似N4LL重求和与N3LO固定阶计算的最先进QCD预言。
• 通过避免束缘区域修正并利用模型无关的角分解方法，降低理论不确定性。
• 通过高精度微分分布为部分子分布函数(PDFs)提供新约束。

提出的方法

• 在Collins-Soper参考系中，将轻子运动学分解为九个球谐多项式乘以角系数(Ai)。
• 采用基于自旋-1 Z玻色子与自旋-1/2轻子的模型无关形式，将产生动力学与衰变运动学分离开。
• 利用1530万个Z → ℓℓ衰变事例，在|y| < 3.6且80 < mℓℓ < 100 GeV范围内测量双微分截面dσ/dpT dy。
• 采用基于似然的去卷积方法，从观测到的轻子分布中提取未极化截面σU+L与角系数Ai。
• 依赖全ATLAS覆盖范围内的探测器校准与重建，包括中心(eeCC, μμCC)与前向(eeCF)轻子通道。
• 使用最新部分子分布函数(PDFs)与近似N4LL + N3LO计算，对结果与QCD预言进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在衰变轻子全相空间中，Z玻色子双微分截面在pT与快速度上的测量精度能达到多高？
• RQ2 测量得到的pT与y分布与结合N4LL重求和与N3LO固定阶计算的最先进QCD预言在多大程度上一致？
• RQ3 快速度对横动量谱的影响如何？与束缘区域测量相比，全相空间测量如何揭示这种依赖关系？
• RQ4 角系数Ai如何在不依赖极化与衰变理论不确定性的情况下，独立约束Z玻色子产生机制？
• RQ5 归一化截面测量中的主要不确定性来源是什么？它们如何随快速度变化？

主要发现

• 归一化截面测量的总不确定性在|y| < 2.0时为0.5–1.0%，在更高快速度时上升至2–7%，统计不确定性在整个范围内占主导地位。
• 对pT积分的微分快速度分布精度在|y| < 2.0时达到0.2–0.3%，在更高快速度时为0.4–0.9%，为PDFs提供了强有力的约束。
• 测量得到的pT与y分布与结合近似N4LL重求和与N3LO固定阶计算的最优QCD预言结果表现出良好一致性。
• 全相空间测量揭示了Z玻色子横动量谱对快速度的依赖关系，该依赖关系在束缘区域测量中因轻子选择截断而被掩盖。
• 角分解方法有效分离了产生动力学与衰变效应，对QCD、QED与电弱修正的敏感度低于0.05%（在Z峰处）。
• 有效角系数Ai包含来自γ*干涉的微小贡献（在Z峰处），但该形式保持稳健且模型无关。