[论文解读] Measurement of differential ZZ + jets production cross sections in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, Aram+2374 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用LHC上CMS实验收集的138 fb⁻¹数据，对√s = 13 TeV质子-质子碰撞中微分ZZ + 胚胎的产生截面进行了精确测量。测量了作为喷射流数量、pT、η、二喷射流不变质量、∆η以及四轻子不变质量函数的微分分布，在大多数区域与理论预测符合良好，但在特定相空间区域发现了需要改进建模的偏差。

ABSTRACT

Diboson production in association with jets is studied in the fully leptonic final states, pp $ o$ (Z$\gamma^*$)(Z/$\gamma^*$)+jets $ o$ 2$\ell$2$\ell'$+jets, ($\ell,\ell'$ = e or $\mu$) in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$ collected with the CMS detector at the LHC. Differential distributions and normalized differential cross sections are measured as a function of jet multiplicity, transverse momentum $p_\mathrm{T}$, pseudorapidity $\eta$, invariant mass and $\Delta\eta$ of the highest-$p_\mathrm{T}$ and second-highest-$p_\mathrm{T}$ jets, and as a function of invariant mass of the four-lepton system for events with various jet multiplicities. These differential cross sections are compared with theoretical predictions that mostly agree with the experimental data. However, in a few regions we observe discrepancies between the predicted and measured values. Further improvement of the predictions is required to describe the ZZ+jets production in the whole phase space.

研究动机与目标

• 在√s = 13 TeV下测量完全轻子末态中ZZ + 胚胎产生的微分截面。
• 检验在复杂多玻色子、多喷射流末态中，下一阶下一阶（NNLO）QCD与电弱理论预测的有效性。
• 识别理论预测与实验数据存在偏差的相空间区域，提示当前建模的潜在局限性。
• 增进对包含矢量玻色子与喷射流的高多重末态中QCD与电弱动力学的理解。

提出的方法

• 本分析使用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 事件在完全轻子末态中选择：pp → (Z/γ*) (Z/γ*) + jets → 2ℓ2ℓ′ + jets，其中ℓ, ℓ′ = e 或 µ。
• 测量微分截面作为喷射流数量（Njets）、横动量（pT）、伪快度（η）、二喷射流不变质量、两支最高pT喷射流之间的∆η以及四轻子不变质量（m4ℓ）的函数。
• 名义信号样本使用MADGRAPH5 aMC@NLO生成，替代了先前的POWHEG生成器。
• 应用正则化去卷积方法，校正探测器效应并提取真实的微分分布。
• 将理论预测与数据进行比较，包括与部分子喷射匹配的nNNLO+PS计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，ZZ + 胚胎产生的微分截面如何随喷射流数量及pT、η和二喷射流∆η等动量变量变化？
• RQ2 当前NNLO QCD与nNNLO+PS预测在完整相空间范围内对测量的微分分布的描述程度如何？
• RQ3 是否存在某些动量区域，使得测量的截面显著偏离理论预测，表明建模存在潜在缺陷？
• RQ4 喷射流的存在如何影响四轻子不变质量（m4ℓ）分布，无论是否施加Z玻色子壳上要求？

主要发现

• 测量的微分截面在相空间的大部分区域与理论预测总体符合良好，尤其在喷射流数量和pT分布方面。
• 在二喷射流不变质量与∆η分布的特定区域观察到偏差，理论预测低估或高估了数据。
• 四轻子不变质量（m4ℓ）分布被标准模型预测良好描述，在壳上Z区域（60–120 GeV）未观察到显著偏差。
• 使用MADGRAPH5 aMC@NLO与正则化去卷积方法，相比以往分析，提高了微分截面测量的精度与可靠性。
• 结果与标准模型一致，支持先进QCD与电弱计算的有效性，但突显了在某些动量区域仍需进一步理论改进。
• ZZ产生在束带截面与先前测量一致，验证了本研究中所用分析框架的可靠性。