[论文解读] Inclusive and differential cross-sections for dilepton $ t\overline{t} $ production measured in $ \sqrt{s} $ = 13 TeV pp collisions with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2971 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用LHC Run 2期间收集的140 fb⁻¹ ATLAS数据，对13 TeV质子-质子碰撞中双轻子顶夸克对产生过程进行了包容性和微分截面的测量。测量得到的总包容截面为829 ± 1（统计）± 13（系统）± 8（亮度）± 2（束流）pb，与理论预测高度一致；当对蒙特卡罗样本进行重加权以匹配顶夸克横动量的NNLO预测时，数据与理论的符合度进一步提升。

ABSTRACT

Differential and double-differential distributions of kinematic variables of leptons from decays of top-quark pairs ($t\bar{t}$) are measured using the full LHC Run 2 data sample collected with the ATLAS detector. The data were collected at a $pp$ collision energy of $\sqrt{s}=13$ TeV and correspond to an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$. The measurements use events containing an oppositely charged $eμ$ pair and $b$-tagged jets. The results are compared with predictions from several Monte Carlo generators. While no prediction is found to be consistent with all distributions, a better agreement with measurements of the lepton $p_{ ext{T}}$ distributions is obtained by reweighting the $t\bar{t}$ sample so as to reproduce the top-quark $p_{ ext{T}}$ distribution from an NNLO calculation. The inclusive top-quark pair production cross-section is measured as well, both in a fiducial region and in the full phase-space. The total inclusive cross-section is found to be \[ σ_{t\bar{t}} = 829 \pm 1\;( extrm{stat}) \pm 13\;( extrm{syst}) \pm 8\;( extrm{lumi}) \pm 2\; ( extrm{beam})\ extrm{pb}, \] where the uncertainties are due to statistics, systematic effects, the integrated luminosity and the beam energy. This is in excellent agreement with the theoretical expectation.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV下双轻子末态中顶夸克对产生的包容性和微分截面。
• 检验蒙特卡罗事件生成器与LHC Run 2高精度数据的一致性。
• 通过比较t¯t衰变中轻子的运动学分布，对顶夸克产生动力学进行约束。
• 通过将t¯t样本重加权以匹配顶夸克pT的NNLO预测，改善模拟与数据之间的符合度。
• 为未来涉及αs、mt和PDF的全局拟合提供基准，基于高统计量的双轻子数据。

提出的方法

• 本分析使用ATLAS探测器在√s = 13 TeV下收集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 事件选择标准为反电荷eμ对，并至少包含两个b夸克标记喷注，对轻子施加截断条件：pT > 25–27 GeV且|η| < 2.5。
• 对八个运动学变量测量微分和双微分分布：pT、η、meμ、peμT、|yeμ|、Ee + Eμ、peT + pμT和|Δϕeμ|。
• 将数据与多种蒙特卡罗生成器的预测进行比较，包括Powheg+Pythia8、MG5_aMC@NLO+Herwig7等。
• 系统性不确定度通过数据驱动技术与基于模拟的修正方法评估，包括亮度和束流能量不确定度。
• 对t¯t样本应用重加权程序，以重现NNLO预测的顶夸克pT分布，显著改善了轻子pT谱与数据的符合度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前蒙特卡罗生成器在13 TeV质子-质子碰撞中对t¯t衰变产生的轻子微分分布的描述程度如何？
• RQ2 将t¯t样本重加权以匹配顶夸克pT的NNLO预测，能否显著改善其与轻子运动学分布数据的符合度？
• RQ3 在√s = 13 TeV下，13 TeV质能下双轻子末态中t¯t的包容截面在几何截断区域和全相空间中的测量值是多少？
• RQ4 meμ、peμT和Ee + Eμ的双微分分布测量结果与理论预测相比如何？
• RQ5 亮度和束流能量的不确定度对最终截面测量的影响程度如何？

主要发现

• 总包容t¯t截面测量值为829 ± 1（统计）± 13（系统）± 8（亮度）± 2（束流）pb，与理论预期高度一致。
• 无单一蒙特卡罗生成器能完全描述所有测量的微分分布，表明当前建模存在局限性。
• 将t¯t样本重加权以匹配顶夸克pT的NNLO预测，显著改善了轻子pT分布与数据的符合度。
• 几何截断区域截面测量精度极高，为未来涉及αs、mt和PDF的全局拟合提供了基础。
• |yeμ|、|Δϕeμ|、peμT和Ee + Eμ的双微分分布对基础物理高度敏感，多数区间不确定度低于3%。
• 由于校准改进，亮度不确定度已降低至0.8%，显著提升了测量的整体精度。