[论文解读] Inclusive and differential cross section measurements of $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} extrm{b}\overline{ extrm{b}} $ production in the lepton+jets channel at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2370 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 94被引用 1

一句话总结

本论文利用138 fb⁻¹的CMS数据，在√s = 13 TeV下对顶夸克对和底夸克对产生（ttbb）过程在轻子+喷注末态中进行了迄今为止最精确的包含性及归一化微分截面测量。通过最大似然反卷积方法重建了部分粒子层次的分布，研究发现大多数理论预测均低估了包含性截面，仅一种特定的动力学重整化能标选择实现了与测量结果的一致性，且没有任何生成器能够同时准确描述所有微分分布。

ABSTRACT

Measurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs, ttbb, are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the ttbb process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale, $\mu_\mathrm{R}=\frac{1}{2} \prod_{i=\mathrm{t, \bar{t}, b, \bar{b}}} m_{\mathrm{T},i}^{1/4}$, where $m_{\mathrm{T},i}^2=m_i^2+p^2_{\mathrm{T},i}$ are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV下测量顶夸克对在轻子+喷注末态中的包含性及归一化微分截面。
• 在多个选定相空间区域中，检验最先进的NLO QCD + 部子喷发事件生成器与数据的相容性。
• 评估ttbb理论预测的可靠性，ttbb是顶-Yukawa耦合和希格斯-顶夸克测量中的关键背景。
• 增进对多底夸克末态中QCD动力学的理解，尤其关注不可忽略的底夸克质量效应。
• 通过高精度数据约束生成器设置，减少ttbb建模中的不确定性。

提出的方法

• 在2016–2018年期间，CMS探测器在√s = 13 TeV下采集的数据，对应138 fb⁻¹的积分亮度。
• 选择包含一个孤立电子或μ子及至少五个喷注的事件，以靶向顶夸克对的轻子+喷注衰变模式。
• 定义四个选定相空间区域：ttbb（完全解析）、ttb（三个底喷注）、ttbj（额外喷注）、ttbbj（额外喷注且包含解析的bb对）。
• 应用最大似然反卷积方法，从探测器层次的数据重建粒子层次的微分分布。
• 通过多种重整化与因子化能标选择，将反卷积后的分布与多个事件生成器的预测进行比较。
• 采用先进的喷注重建方法（anti-kT算法）、使用DEEPJET的b夸克标记技术以及堆叠效应抑制技术，以提升测量精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 测量得到的ttbb产生过程的包含性与微分截面与NLO QCD + 部子喷发预测相比如何？
• RQ2 在多个选定区域中，哪种生成器设置与重整化能标选择最能描述数据？
• RQ3 当前理论模型在多大程度上准确描述了ttbb事件的动力学分布？
• RQ4 底夸克质量效应与QCD辐射对ttbb末态建模有何影响？
• RQ5 数据能否解决生成器之间的差异，并识别出在顶物理与希格斯物理中ttbb背景的优选建模方法？

主要发现

• 在选定相空间中的包含性截面以迄今最高的精度被测量，其结果超过大多数理论预测。
• 仅当采用一种特定的动力学重整化能标选择，即µR = ½ ∏i=t,t,b,b m₁/₄T,i时，预测值与测量的包含性截面达成一致。
• 微分截面与理论预测的相容性程度不一，没有任何一个生成器能够同时准确描述所有测量到的分布。
• 在使用标准能标选择时，测量的包含性截面系统性地高于预测值，表明QCD修正的建模仍需改进。
• 数据揭示了与当前事件生成器设置之间的显著张力，尤其在存在额外QCD辐射的区域（如ttbj与ttbbj），凸显了现有建模的局限性。
• 结果对ttbb生成器的参数空间进行了约束，并为减少ttH与tttt物理测量中的不确定性提供了关键输入。