[论文解读] Measurement of cross-sections for production of a $Z$ boson in association with a flavor-inclusive or doubly $b$-tagged large-radius jet in proton-proton collisions at $\sqrt{s} = 13$ TeV with the ATLAS experiment

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

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器采集的36 fb⁻¹数据，首次测量了在13 TeV质子-质子碰撞中Z玻色子与大半径喷注的联合产生过程，研究范围涵盖包含味的相空间与双b喷注标记的相空间。测量了喷注质量、横动量以及b标记子喷注间角分离度的微分截面，揭示了蒙特卡罗模型在额外强子活动建模方面的偏差，并凸显了在b标记区域中不同味数方案的差异。

ABSTRACT

We present measurements of cross-sections for production of a leptonically decaying $Z$ boson in association with a large-radius jet in $13~$TeV proton-proton collisions at the LHC, using $36~\mathrm{fb}^{-1}$ of data from the ATLAS detector. Integrated and differential cross-sections are measured at particle-level in both a flavor-inclusive and a doubly $b$-tagged fiducial phase-space. The large-radius jet mass and transverse momentum, its kinematic relationship to the $Z$ boson, and the angular separation of $b$-tagged small-radius track-jets within the large-radius jet are measured. This measurement constitutes an important test of perturbative quantum chromodynamics in kinematic and flavor configurations relevant to several Higgs boson and beyond-Standard-Model physics analyses. The results highlight issues with modeling of additional hadronic activity in the flavor-inclusive selection, and a distinction between flavor-number schemes in the $b$-tagged phase-space.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中，Z玻色子与大半径喷注联合产生的积分截面与微分截面。
• 研究微扰QCD在增强动量构型中的表现，特别是通过胶子劈裂产生b夸克对的构型。
• 评估蒙特卡罗事件生成器在高pT喷注中对额外强子活动与味依赖动力学的建模性能。
• 为使用增强喷注技术的Higgs玻色子与新物理分析提供基准参考。
• 研究味数方案对b标记喷注建模的影响，特别是在小角分离区域。

提出的方法

• 使用ATLAS探测器中的反kT算法，从重建的粒子中重建大半径喷注（R = 1.0）。
• 对Z玻色子（衰变为轻子）施加探测器接受度相空间限制（ΔR(Z, jet) > 0.8），并对大半径喷注施加限制（pT > 200 GeV，|η| < 2.5）。
• 在大半径喷注内部使用基于轨迹的算法，对小半径（R = 0.2）子喷注进行b标记，以识别b夸克贡献。
• 测量微分截面作为大半径喷注质量、横动量以及b标记子喷注间角分离度ΔR(b1, b2)的函数。
• 使用去卷积技术进行探测器修正，从重建的探测器水平分布中恢复粒子水平可观测量。
• 将修正后的测量结果与多种蒙特卡罗生成器（如Powheg+Pythia8、MG5_aMC@NLO+Herwig7）及部分子分布函数（PDF）集进行比较，以评估建模精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 当前蒙特卡罗生成器在增强动量区域中对Z + 大半径喷注产生过程的运动学与味结构建模效果如何？
• RQ2 现有部分子簇射模拟在味包含选择中对额外强子活动的建模偏差有多大？
• RQ3 不同部分子簇射生成器中的味数方案如何影响对双b标记喷注的描述，特别是在小-ΔR(b1, b2)区域？
• RQ4 微分截面对于b标记子喷注间角分离度的敏感性如何？与理论预测相比有何差异？
• RQ5 该测量能否作为改进高pT、重味丰富末态中QCD建模的稳健基准？

主要发现

• 在味包含相空间中，蒙特卡罗模拟与数据之间存在显著偏差，尤其在额外强子活动较高的区域。
• 作为ΔR(b1, b2)函数的测量微分截面显示出明显偏离预测，特别是在典型胶子劈裂产生b¯b对的小ΔR区域。
• 部分生成器在大半径喷注质量与横动量分布的建模方面有所改进，但在高pT区域系统误差仍然较大。
• 双b标记相空间清晰揭示了味数方案的差异，部分生成器在小ΔR(b1, b2)区域低估了事例产额。
• 数据表明，包含正确重夸克质量效应与部分子簇射中一致重整化尺度选择的模型更优。
• 这些结果为硬胶子喷注与重味夸克产生中胶子喷注的共线分裂与建模提供了强有力的实证约束，直接支持Higgs玻色子与新物理搜索的建模改进。