[论文解读] Differential cross-sections for events with missing transverse momentum and jets measured with the ATLAS detector in 13 TeV proton-proton collisions

Georges Aad, Aakvaag, Erlend+2945 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次基于ATLAS探测器采集的140 fb⁻¹质子-质子对撞数据（√s = 13 TeV）对缺失横向动量（pTmiss）与喷注的微分截面进行了测量，已通过去卷积方法修正探测器效应。结果与标准模型预测总体一致，唯独二喷注质量分布存在显著偏差。通过截面比值分析增强了对新物理（包括暗物质模型）的敏感度，其约束能力与专门的搜索研究相当。

ABSTRACT

Measurements of inclusive, differential cross-sections for the production of events with missing transverse momentum in association with jets in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV are presented. The measurements are made with the ATLAS detector using an integrated luminosity of 140 fb$^{−1}$ and include measurements of dijet distributions in a region in which vector-boson fusion processes are enhanced. They are unfolded to correct for detector resolution and efficiency within the fiducial acceptance, and are designed to allow robust comparisons with a wide range of theoretical predictions. A measurement of differential cross sections for the Z → νν process is made. The measurements are generally well-described by Standard Model predictions except for the dijet invariant mass distribution. Auxiliary measurements of the hadronic system recoiling against isolated leptons, and photons, are also made in the same phase space. Ratios between the measured distributions are then derived, to take advantage of cancellations in modelling effects and some of the major systematic uncertainties. These measurements are sensitive to new phenomena, and provide a mechanism to easily set constraints on phenomenological models. To illustrate the robustness of the approach, these ratios are compared with two common Dark Matter models, where the constraints derived from the measurement are comparable to those set by dedicated detector-level searches.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV质子-质子对撞中，以高精度和最小模型依赖性测量缺失横向动量与喷注事件的微分截面。
• 通过去卷积探测器效应并定义事例选择区域，实现与广泛理论预测的稳健比较。
• 展示截面比值在抑制建模不确定性和系统误差方面的有效性，从而增强对标准模型之外物理（BSM）的敏感度。
• 利用相同数据集对暗物质模型施加约束，避免重复进行探测器级模拟。
• 通过与最先进的标准模型预测及基准BSM模型对比，验证该方法的有效性。

提出的方法

• 利用ATLAS Run 2数据的140 fb⁻¹积分亮度，测量包含pTmiss + 喷注的总截面与微分截面。
• 应用去卷积程序，校正事例选择区域内的探测器分辨率与效率，确保探测器效应被完全消除。
• 定义事例选择区域以增强对矢量玻色子融合及Z→νν衰变过程的敏感度，通过动量学截断筛选出相关末态。
• 在相同事例选择区域内，对孤立轻子与光子的强子反冲横向动量（precoilT）进行辅助测量。
• 计算截面比值（如pTmiss与precoilT的比值），以抵消共同的不确定度与依赖模型的系统误差。
• 将测量得到的比值与理论预测及BSM模型（包括简化暗物质模型与具有赝标量耦合的双Higgs双重态模型）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同动量学可观测量下，pTmiss + 喷注的测量微分截面与标准模型预测的符合程度如何？
• RQ2 二喷注质量分布与标准模型预期的偏离程度如何？这对新物理意味着什么？
• RQ3 pTmiss与precoilT截面比值是否能有效抑制系统误差并提升对BSM物理的敏感度？
• RQ4 与专门的探测器级搜索相比，这些比值在约束暗物质模型方面的有效性如何？
• RQ5 当应用于具有赝标量耦合的双Higgs双重态模型等复杂BSM情景时，该测量方法的鲁棒性如何？

主要发现

• pTmiss + 喷注的微分截面在整体上与标准模型预测一致，但在二喷注质量分布中观察到显著偏差。
• 在去卷积前已扣除其他标准模型过程的背景贡献，对Z→νν衰变的测量实现了对隐形Z宽度的精确测定。
• pTmiss与precoilT可观测量的截面比值表现出探测器相关误差与建模误差的强烈抵消，显著增强了对新物理的敏感度。
• 基于测量比值对简化暗物质模型施加的约束，其强度与使用相同数据集的ATLAS和CMS专门搜索结果相当。
• 对于包含额外Higgs双重态及与暗物质的赝标量耦合的更复杂模型，该测量方法同样可提供具有竞争力的限制，且无需额外的探测器模拟。
• 去卷积程序成功校正了探测器分辨率与效率，使得在事例选择区域内与理论预测的可靠比较成为可能。