[论文解读] First Measurement of the $\lowercase{ tbar}$ Differential Cross Section $\lowercase{dσ/d}M_{\lowercase{t\overline{t}}}$ in $\lowercase{\ppbar}$ Collisions at $\sqrt{\lowercase{s}}=1.96$ TeV

T. Aaltonen|arXiv (Cornell University)|Mar 16, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用 60

一句话总结

本论文首次测量了在 $ olimits\sqrt{s} = 1.96$ TeV 的 $p\bar{p}$ 碰撞中，微分 top 夸克对产生截面 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$，使用费米实验室 CDF 实验的 2.7 fb$^{-1}$ 数据。该测量覆盖了从 0 到 1400 GeV/$c^2$ 的 top-反top 相互作用质量范围，其中在 350–400 GeV/$c^2$ 的质量区间达到最高精度，并且未发现与标准模型预测存在显著偏离，高质质量尾部的 Anderson-Darling 检验 p 值为 0.28。

ABSTRACT

We present a measurement of the $ tbar$ differential cross section with respect to the $ tbar$ invariant mass, dSigma/dMttbar, in $\ppbar$ collisions at $\sqrt{s}=1.96$ TeV using an integrated luminosity of $2.7\invfb$ collected by the CDF II experiment. The $ tbar$ invariant mass spectrum is sensitive to a variety of exotic particles decaying into $ tbar$ pairs. The result is consistent with the standard model expectation, as modeled by exttt{PYTHIA} with exttt{CTEQ5L} parton distribution functions.

研究动机与目标

• 测量在 $\sqrt{s} = 1.96$ TeV 的 $p\bar{p}$ 碰撞中，微分 top 夸克对产生截面作为 top-反top 相互作用质量 $M_{t\overline{t}}$ 的函数。
• 通过分析 $M_{t\overline{t}}$ 分布的高质质量尾部，探测标准模型之外的新物理。
• 量化所有 $M_{t\overline{t}}$ 区间中的系统不确定性，包括喷流能量标度、部分子分布函数（PDFs）和背景贡献。
• 通过选择最敏感的 $M_{t\overline{t}}$ 范围，优化 Anderson-Darling 检验对新物理的灵敏度。
• 为未来与理论预测及新物理模型的比较提供基准数据集。

提出的方法

• 本分析使用费米实验室 Tevatron 的 CDF II 探测器收集的 2.7 fb$^{-1}$ $p\bar{p}$ 碰撞数据。
• 通过包含一个轻子（电子或μ子）、大缺失横向动量以及至少四个喷流（其中一个被识别为 b-夸克喷流）的事件，重建 top 夸克对候选。
• 从重建的 top 和反top 夸克四momenta 计算相互作用质量 $M_{t\overline{t}}$，并将 top 夸克质量固定为 175 GeV/$c^2$，以降低对系统性变化的敏感度。
• 评估了喷流能量标度（JES）、初态与末态辐射（ISR/FSR）、背景贡献、探测器接受度以及部分子分布函数（PDFs）的系统不确定性。
• 使用 Anderson-Darling（AD）统计量检验与标准模型的一致性，并通过蒙特卡洛伪实验优化，以识别最敏感的 $M_{t\overline{t}}$ 范围。
• 通过 10,000 次伪实验，利用标准模型蒙特卡洛分布计算观测 AD 统计量的 p 值，并与数据进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $M_{t\overline{t}}$ 全谱范围内，微分 $t\bar{t}$ 截面 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$ 是否与标准模型预测存在可测量偏离？
• RQ2 使用 Anderson-Darling 检验探测新物理时，最敏感的 $M_{t\overline{t}}$ 范围是什么？
• RQ3 系统不确定性（尤其是 PDF 和喷流能量标度）在不同 $M_{t\overline{t}}$ 区间中如何变化？
• RQ4 高质质量尾部（$M_{t\overline{t}} \geq 450$ GeV/$c^2$）在约束标准模型之外的新物理方面具有何种重要性？
• RQ5 测量得到的 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$ 分布是否显示出异常 top 夸克耦合或新共振态的任何证据？

主要发现

• 测量得到的微分截面 $d\sigma/dM_{t\overline{t}}$ 在 350–400 GeV/$c^2$ 区间达到峰值，值为 $62.3 \pm 7.0 \pm 7.9 \pm 3.7$ fb/GeV/$c^2$，对应于数据集中最高的统计与系统性精度。
• 总包含式 $t\bar{t}$ 截面测量值为 $6.9 \pm 1.0$ pb，合并了统计与喷流能量标度不确定性。
• PDF 不确定性在高 $M_{t\overline{t}}$ 区间占主导，800–1400 GeV/$c^2$ 区间达到 18.8%，而在 450–500 GeV/$c^2$ 区间则较低（1.0%）。
• Anderson-Darling 检验将 $M_{t\overline{t}} \geq 450$ GeV/$c^2$ 识别为探测新物理最敏感的区域，观测数据的 p 值为 0.28。
• 观测到的 p 值 0.28 表明与标准模型预测无显著偏离，数据在 28% 置信水平下与标准模型预期一致。
• 尽管背景贡献较高，400–550 GeV/$c^2$ 区间中的系统不确定性因固定 top 夸克质量及较低的 PDF 敏感度而降低。