[论文解读] Inclusive and differential cross-section measurements of $t\bar{t}Z$ production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector, including EFT and spin-correlation interpretations

G. Aad, B. Abbott+2933 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 104被引用 2

一句话总结

本论文利用 140 fb⁻¹ 的 ATLAS 数据，对 √s = 13 TeV 的 pp 碰撞中 t̄tZ 产生的总截面和微分截面进行了精确测量。结果报告的总截面为 σₜ̄ₜZ = 0.86 ± 0.04ₜₛₜₐₜ ± 0.04ₛyₛₜ pb，与标准模型预测一致，并首次测量了 t̄tZ 事例中顶夸克自旋关联，其显著性为 1.8 个标准差，与零假设不相符。

ABSTRACT

Measurements of both the inclusive and differential production cross sections of a top-quark-top-antiquark pair in association with a $Z$ boson ($t\bar{t}Z$) are presented. Final states with two, three or four isolated leptons (electrons or muons) are targeted. The measurements use the data recorded by the ATLAS detector in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV at the Large Hadron Collider during the years 2015-2018, corresponding to an integrated luminosity of $140$ fb$^{-1}$. The inclusive cross section is measured to be $\sigma_{t\bar{t}Z}= 0.86 \pm 0.04~\mathrm{(stat.)} \pm 0.04~\mathrm{(syst.)}~$pb and found to be in agreement with the most advanced Standard Model predictions. The differential measurements are presented as a function of a number of observables that probe the kinematics of the $t\bar{t}Z$ system. Both the absolute and normalised differential cross-section measurements are performed at particle level and parton level for specific fiducial volumes, and are compared with NLO+NNLL theoretical predictions. The results are interpreted in the framework of Standard Model effective field theory and used to set limits on a large number of dimension-6 operators involving the top quark. The first measurement of spin correlations in $t\bar{t}Z$ events is presented: the results are in agreement with the Standard Model expectations, and the null hypothesis of no spin correlations is disfavoured with a significance of $1.8$ standard deviations.

研究动机与目标

• 在 √s = 13 TeV 下，测量多轻子末态中 t̄tZ 产生的总截面和微分截面。
• 首次测量 t̄tZ 事例中顶夸克自旋关联。
• 在标准模型有效场论（SMEFT）的框架下解释结果，对涉及顶夸克的六维算符设置限制。
• 将未展开的粒子级和部分子级微分截面与 NLO+NNLL 理论预测进行比较。
• 通过改进对象重建、背景估计和系统误差建模，提升测量精度。

提出的方法

• 采用轮廓似然拟合方法提取总截面，并将探测器级数据展开至粒子级和部分子级可观测量。
• 为双轻子、三轻子和四轻子末态定义信号区域，严格进行轻子和喷注的识别与重建。
• 利用数据驱动技术与控制区域，估算来自本征轻子和非本征/虚假轻子的背景。
• 对探测器效应、信号建模和背景估计的系统误差进行评估，详细处理了 PDF、尺度和 αₛ 的变化。
• 通过轮廓似然程序执行展开，以校正探测器效应，获得粒子级和部分子级的真实微分截面。
• 通过将数据投影到六维算符上，执行 SMEFT 解释，对威尔逊系数设置 95% 置信水平的限制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 13 TeV 下，t̄tZ 产生的总截面是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ2 t̄tZ 的微分截面如何随 $H_T^\ell$、$\Delta\Phi$ 和 $m_{t\bar{t}}$ 等运动学可观测量变化？
• RQ3 在 t̄tZ 事例中是否存在顶夸克自旋关联的证据？观测到的关联与标准模型预期相比如何？
• RQ4 此测量对涉及顶夸克的六维 SMEFT 算符设定了哪些限制？
• RQ5 NLO+NNLL 理论预测在多大程度上能准确描述粒子级和部分子级未展开的微分截面？

主要发现

• 测得的总 t̄tZ 截面为 σₜ̄ₜZ = 0.86 ± 0.04ₜₛₜₐₜ ± 0.04ₛyₛₜ pb，与标准模型预测值 0.863⁺⁰.⁰⁷³₋₀.⁰⁸⁵ pb 一致。
• 首次测量 t̄tZ 事例中顶夸克自旋关联，其显著性为 1.8 个标准差，与无关联的零假设不相符。
• 粒子级和部分子级未展开的微分截面在多个可观测量（包括 $H_T^\ell$、$\Delta\Phi(\ell^+_t, \ell^-_{\bar{t}})$ 和 $m_{t\bar{t}}$）上与 NLO+NNLL 预测高度一致。
• 与理论预测的兼容性检验 p 值范围为 0.02 至 0.97，其中大多数值高于 0.1，表明结果具有良好的一致性。
• 对 23 个涉及顶夸克的六维 SMEFT 算符设定了限制，95% 置信水平下威尔逊系数的边界范围为 -1.2 × 10⁻³ 至 1.1 × 10⁻³ TeV⁻²。
• 由于改进了对象校准、更大的积分亮度（140 fb⁻¹）以及更精细的系统误差处理，本分析的精度优于以往的 ATLAS 结果。