[论文解读] Cross-section measurements for the production of a $Z$ boson in association with high-transverse-momentum jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS detector

Aad, G., Abbott, B.+2894 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用LHC上ATLAS实验的139 fb⁻¹数据，对13 TeV质子-质子碰撞中与高横动量喷胶（jet）关联产生的Z玻色子的微分截面进行了高精度测量。研究聚焦于Z玻色子与最近喷胶之间的角关联，区分共线与背对背喷胶构型，并发现与下一下一阶微分QCD预言以及多部分量NLO生成器（如MadGraph5_aMC@NLO和Sherpa）高度一致。

ABSTRACT

Cross-section measurements for a $Z$ boson produced in association with high-transverse-momentum jets ($p_{\mathrm{T}} \geq 100$ GeV) and decaying into a charged-lepton pair ($e^+e^-,\mu^+\mu^-$) are presented. The measurements are performed using proton-proton collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV corresponding to an integrated luminosity of $139$ fb$^{-1}$ collected by the ATLAS experiment at the LHC. Measurements of angular correlations between the $Z$ boson and the closest jet are performed in events with at least one jet with $p_{\mathrm{T}} \geq 500$ GeV. Event topologies of particular interest are the collinear emission of a $Z$ boson in dijet events and a boosted $Z$ boson recoiling against a jet. Fiducial cross sections are compared with state-of-the-art theoretical predictions. The data are found to agree with next-to-next-to-leading-order predictions by NNLOjet and with the next-to-leading-order multi-leg generators MadGraph5_aMC@NLO and Sherpa.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中，Z玻色子与高横动量喷胶（pT ≥ 100 GeV）关联产生的几何截面与微分截面。
• 探究高能喷胶构型中QCD与电弱效应的相互作用，尤其关注Z玻色子发射增强的共线区域。
• 在受软-共线辐射和大对数修正主导的复杂动量区域测试理论预言。
• 分离并表征两种主要构型：共线发射（ΔRmin_Z,j ≤ 1.4）与背对背反冲（ΔRmin_Z,j ≥ 2.0）构型。
• 提供高精度数据，用于Higgs玻色子分析与新物理搜索，其中Z+喷胶背景必须被精确建模。

提出的方法

• 通过Z玻色子衰变至e⁺e⁻或μ⁺μ⁻末态重建Z玻色子候选事例，其质量接近Z玻色子峰位（91.2 GeV）。
• 使用R = 0.4的反kₜ算法定义喷胶，并对包含喷胶分析要求pT ≥ 100 GeV，对高pT构型选择要求pT ≥ 500 GeV。
• 测量微分截面作为pT,j1、pT,ℓℓ、HT与喷胶多重性的函数，涵盖包含区域。
• 利用Z玻色子与最近喷胶之间的角距离，将高pT区域划分为共线（ΔRmin_Z,j ≤ 1.4）与背对背（ΔRmin_Z,j ≥ 2.0）构型。
• 定义关键可观测量：ΔRmin_Z,j、rZ,j = pT,ℓℓ / pT(最近喷胶)与喷胶多重性，以探测软辐射与硬散射动力学。
• 将数据与最先进的下一下一阶（NNLO）理论预言（来自NNLOJET）及下一阶（NLO）多部分量矩阵元生成器（MadGraph5_aMC@NLO与Sherpa）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 Z+喷胶产生过程的微分截面如何随喷胶横动量、Z玻色子横动量及横动量之和变化？
• RQ2 Z玻色子与最近喷胶之间的角关联在多大程度上反映了由软胶子辐射引起的共线增强？
• RQ3 NNLO QCD与NLO多部分量矩阵元生成器在共线与背对背喷胶构型中对数据的描述程度如何？
• RQ4 在高pT区域，Z+1-喷胶与Z+2-喷胶（二喷胶）构型的相对贡献是多少？它们如何影响角分布？
• RQ5 数据能否解决在共线区域中因大对数修正显著而产生的蒙特卡罗生成器偏差？

主要发现

• 在包含区域（pT,j ≥ 100 GeV）中，Z+喷胶产生的测量几何截面与NNLOJET的NNLO预言高度一致。
• pT,j1、pT,ℓℓ、HT与喷胶多重性的微分截面与MadGraph5_aMC@NLO及Sherpa的NLO预言一致。
• 在高pT区域（pT,j ≥ 500 GeV），共线构型（ΔRmin_Z,j ≤ 1.4）在角分布中表现出显著增强，与夸克线上的软Z玻色子辐射一致。
• rZ,j在共线区域中显著偏小，证实了该构型中软Z玻色子发射占主导地位。
• 背对背构型（ΔRmin_Z,j ≥ 2.0）主要由Z+1-喷胶事例主导，其喷胶多重性分布与末态中存在一个喷胶一致。
• 数据未发现与理论预言的显著偏离，验证了当前最先进QCD计算在高能、高多重性喷胶区域的有效性。