[论文解读] Measurement of differential cross sections for the production of a $Z$ boson in association with jets in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

F. Canelli, B. Kilminster+39 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 条件下收集的 35.9 fb⁻¹ 数据，对质子-质子碰撞中与喷注关联产生的 Z 玻色子的微分截面进行了高精度测量。测量内容包括 Z 玻色子横向动量、喷注运动学（pT、快度）至五重喷注，以及喷注 pT 的标量和，结果已展开至稳定粒子层次，并与 NLO QCD 计算及蒙特卡罗事件发生器进行比较，为部分子分布函数（PDF）和强耦合常数研究提供了关键基准。

ABSTRACT

A measurement is presented of the production of Z bosons that decay into two electrons or muons in association with jets, in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data were recorded by the CMS Collaboration at the LHC with an integrated luminosity of 35.9 fb$^{-1}$. The differential cross sections are measured as a function of the transverse momentum ($p_\mathrm{T}$) of the Z boson and the transverse momentum and rapidities of the five jets with largest $p_\mathrm{T}$. The jet multiplicity distribution is measured for up to eight jets. The hadronic activity in the events is estimated using the scalar sum of the $p_\mathrm{T}$ of all the jets. All measurements are unfolded to the stable particle-level and compared with predictions from various Monte Carlo event generators, as well as with expectations at leading and next-to-leading orders in perturbative quantum chromodynamics.

研究动机与目标

• 测量在 √s = 13 TeV 条件下质子-质子碰撞中，与最多八重喷注关联产生的 Z 玻色子的微分截面。
• 将喷注多重性的动量覆盖范围扩展至超过以往 CMS 测量的范围，涵盖横向动量与快度分布。
• 提供高精度数据，用于检验微扰 QCD 预测，并改进部分子分布函数（PDF）的约束。
• 作为探测器校准的基准，尤其针对喷注能量标度与重建性能。
• 通过与数据对比，增强对蒙特卡罗事件发生器及高阶 QCD 计算的信心。

提出的方法

• 本分析使用了 CMS 探测器在 √s = 13 TeV 条件下收集的 35.9 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。
• 选择事件中 Z 玻色子衰变为两个电荷相反的轻子（e⁺e⁻ 或 μ⁺μ⁻），其不变质量在 71 至 111 GeV 之间。
• 采用反-kT 算法（半径参数为 0.5）重建喷注，并按横向动量排序。
• 测量微分截面作为 Z 玻色子 pT、喷注 pT、喷注快度以及喷注 pT 标量和（HT）的函数，覆盖最多五重喷注。
• 测量喷注多重性分布，包括包含性（≥Njets）和排他性（恰好 Njets）分布，最高至八重喷注。
• 所有测量均使用贝叶斯展开方法展开至稳定粒子层次，以校正探测器效应与探测器接受度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV 条件下，Z + 喷注产生过程的微分截面如何随 Z 玻色子横向动量与喷注运动学参数变化？
• RQ2 当前蒙特卡罗事件发生器与 NLO QCD 计算在高喷注多重性事件中对测量分布的描述程度如何？
• RQ3 测量得到的喷注多重性与标量 pT 和（HT）分布与理论预测相比如何？
• RQ4 该数据对部分子分布函数与强耦合常数 αS 的约束敏感度如何？
• RQ5 事件发生器在高-pT 区域对 Z + 喷注事件的运动学结构再现能力如何？

主要发现

• 测量得到的 Z 玻色子 pT 与喷注运动学的微分截面在所有测量的动量区域均与 NLO QCD 预测结果高度一致。
• 包含性喷注多重性分布已测量至八重喷注，数据在高喷注多重性区域表现出与预测一致的行为。
• 对最多五重喷注的标量 pT 和（HT）分布进行了测量，结果被 NLO QCD 与现代事件发生器良好描述。
• 展开过程成功校正了探测器效应，使数据与理论在稳定粒子层次上的精确比较成为可能。
• 在 Z 玻色子 pT 谱的高-pT 尾部观察到偏差，表明当前部分子簇射模型可能存在局限性。
• 数据对 PDF 与 αS 提供了强有力的约束，由于亮度提升与动量覆盖范围扩展，其精度优于以往测量。