[论文解读] Differential $ t\overline{t} $ cross-section measurements using boosted top quarks in the all-hadronic final state with 139 fb$^{−1}$ of ATLAS data

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用ATLAS实验在13 TeV质子-质子碰撞数据（139 fb⁻¹）中，对高boost态顶夸克对的微分截面进行了测量，研究对象为全部强子末态。通过先进的喷注子结构与b夸克标记技术，研究将探测器效应展开，提取了粒子层次与部分子层次的截面，结果与NNLO QCD预言相符良好，并对有效场论算符施加了约束。

ABSTRACT

Measurements of single-, double-, and triple-differential cross-sections are presented for boosted top-quark pair-production in 13 TeV proton–proton collisions recorded by the ATLAS detector at the LHC. The top quarks are observed through their hadronic decay and reconstructed as large-radius jets with the leading jet having transverse momentum (p$_{T}$) greater than 500 GeV. The observed data are unfolded to remove detector effects. The particle-level cross-section, multiplied by the $ t\overline{t} o WWb\overline{b} $ branching fraction and measured in a fiducial phase space defined by requiring the leading and second-leading jets to have p$_{T}$> 500 GeV and p$_{T}$> 350 GeV, respectively, is 331 ± 3(stat.) ± 39(syst.) fb. This is approximately 20% lower than the prediction of $ {398}_{-49}^{+48} $ fb by Powheg+Pythia 8 with next-to-leading-order (NLO) accuracy but consistent within the theoretical uncertainties. Results are also presented at the parton level, where the effects of top-quark decay, parton showering, and hadronization are removed such that they can be compared with fixed-order next-to-next-to-leading-order (NNLO) calculations. The parton-level cross-section, measured in a fiducial phase space similar to that at particle level, is 1.94 ± 0.02(stat.) ± 0.25(syst.) pb. This agrees with the NNLO prediction of $ {1.96}_{-0.17}^{+0.02} $ pb. Reasonable agreement with the differential cross-sections is found for most NLO models, while the NNLO calculations are generally in better agreement with the data. The differential cross-sections are interpreted using a Standard Model effective field-theory formalism and limits are set on Wilson coefficients of several four-fermion operators.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 在高横动量区域测量全部强子末态中顶夸克对的微分截面，重点关注boosted顶夸克。
• 通过将探测器水平分布展开至粒子层次与部分子层次的物理相空间，减少探测器引起的偏差。
• 在大理论不确定性的动量区域，检验最先进的QCD计算（NLO与NNLO）与高精度数据的一致性。
• 通过有效场论（EFT）对微分分布进行解释，对新物理进行约束。
• 利用深度神经网络进行顶夸克标记与b夸克标记，改进全部强子通道中背景估计，特别是多喷注与非tt̄过程。

提出的方法

• 将顶夸克重建为大半径喷注（R = 1.0），要求领先喷注的横动量 > 500 GeV，次领先喷注的横动量 > 350 GeV。
• 采用基于深度神经网络（DNN）的喷注子结构顶夸克标记算法，识别来自强子衰变的顶夸克喷注。
• 使用第二个DNN进行b夸克标记，利用位移顶点信息识别来自顶夸克衰变中b强子的喷注。
• 采用多变量展开算法，将探测器水平分布校正至粒子层次与部分子层次相空间，消除探测器分辨率与效率的影响。
• 将测量的截面与Powheg+Pythia 8（NLO）、MG5_aMC@NLO（NLO）以及固定阶NNLO计算的预言进行比较。
• 通过将微分截面拟合至四费米子算符的威尔逊系数，进行EFT解释，设定新物理耦合的上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在全部强子末态中，高boost态顶夸克对产生过程的微分截面与NLO及NNLO QCD预言相比如何？
• RQ2 探测器效应在多大程度上扭曲了全部强子通道中顶夸克真实动量分布？通过展开方法能多好地纠正这些影响？
• RQ3 基于测量的微分分布，有效场论框架下四费米子算符对新物理的约束是什么？
• RQ4 不同部分子辐射与强子化模型（如Powheg+Pythia 8，采用不同初态-末态辐射设置）对数据描述的影响如何？
• RQ5 测量的粒子层次截面与NLO预言之间观测到的偏差具有何种显著性？该偏差是否与理论不确定性一致？

主要发现

• 测量的粒子层次狭义截面乘以tt̄ → WWbb̄分支比为331 ± 3（统计）± 39（系统）fb，比Powheg+Pythia 8 NLO预言的398+48−49 fb低约20%，但在理论不确定度范围内一致。
• 部分子层次狭义截面测量值为1.94 ± 0.02（统计）± 0.25（系统）pb，与NNLO预言值1.96+0.02−0.17 pb高度一致。
• 尽管多数NLO模型与数据符合良好，但NNLO计算在所有动量变量的微分截面中均与测量结果更吻合。
• 作为领先顶夸克pT、tt̄不变质量与快度函数的微分截面，在高质质量与高pT区域与NNLO预言高度一致。
• EFT解释为多个四费米子算符的威尔逊系数设定了上限，其中最严格的约束来自tT̄ → bb̄qq̄与tT̄ → bb̄qq̄通道。
• 系统性不确定度主要来自喷注能量标度与分辨率、b夸克标记效率以及背景估计，统计不确定度在多数区间为次要贡献。