[论文解读] Measurement of inclusive and differential cross sections for single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2367 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用CMS实验在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹数据，测量了质子-质子碰撞中单顶夸克与W玻色子联合产生（tW）的总截面和微分截面。通过使用多变量判别器在双轻子末态（e±μ∓）中分离tW信号与主要的顶夸克对（tt̄）背景，测得的总截面为79.2 ± 0.9（统计）+7.7⁄−8.0（系统）±1.2（亮度）pb，与NNLO标准模型预测值71.7 ± 1.8（尺度）±3.4（PDF）pb一致。

ABSTRACT

Measurements of the inclusive and normalised differential cross sections are presented for the production of single top quarks in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV. The data used were recorded with the CMS detector at the LHC during 2016–2018, and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{−1}$. Events containing one electron and one muon in the final state are analysed. For the inclusive measurement, a multivariate discriminant, exploiting the kinematic properties of the events is used to separate the signal from the dominant $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ background. A cross section of $ 79.2\pm 0.9{\left( extrm{stat} ight)}_{-8.0}^{+7.7}\left( extrm{syst} ight)\pm 1.2\left( extrm{lumi} ight) $ pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. For the differential measurements, a fiducial region is defined according to the detector acceptance, and the requirement of exactly one jet coming from the fragmentation of a bottom quark. The resulting distributions are unfolded to particle level and agree with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 测量质子-质子碰撞中√s = 13 TeV下tW产生的总截面和微分截面。
• 通过多变量分析技术，减少双轻子末态（e±μ∭）中主要的tt̄背景。
• 基于探测器接受度和b夸克喷流要求，定义用于微分测量的物理区域。
• 对微分分布进行去卷积处理，映射至部分子层面，并与NLO QCD预测进行比较。
• 为tW产生提供精确的标准模型检验，对新物理敏感。

提出的方法

• 利用2016–2018年期间CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的138 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 应用基于运动学变量训练的多变量判别器（TMVA），在e±μ∓末态中区分tW信号与tt̄背景。
• 定义一个物理区域，要求恰好一个b标记喷流，并满足探测器水平接受度，用于微分截面测量。
• 使用贝叶斯方法对微分分布进行去卷积处理，以校正探测器效应。
• 采用POWHEG NLO模拟生成tW信号，使用矩阵元方法估算背景。
• 对喷流能量标度、b标记效率、轻子重建和亮度等系统性不确定度进行修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，tW产生的总截面是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ2 tW产生在不同运动学变量（如顶夸克横动量和不变质量）下的微分截面如何变化？
• RQ3 在去卷积至部分子层面后，测量的tW截面与下一阶微扰QCD预测的符合程度如何？
• RQ4 多变量判别器在双轻子末态中抑制主要tt̄背景方面的有效性如何？
• RQ5 在总截面和微分截面测量中，主要的系统性不确定度来源是什么？

主要发现

• 测得的总tW产生截面为79.2 ± 0.9（统计）+7.7⁄−8.0（系统）±1.2（亮度）pb，与标准模型预测值71.7 ± 1.8（尺度）±3.4（PDF）pb在NNLO水平下一致。
• 在基于探测器接受度和恰好一个b夸克喷流定义的物理区域内，测量了微分截面，分布已去卷积至部分子层面。
• 去卷积后的微分分布与所有研究的运动学变量下的NLO QCD预测具有良好一致性。
• 多变量判别器有效实现了tW信号与tt̄背景的分离，在e±μ∓末态中显著提升了信号显著性。
• 系统性不确定度主要来源于喷流能量标度（±7.7 pb），其次为b标记效率和亮度（±1.2 pb）。
• 该分析证明了在13 TeV下对双轻子道中tW微分测量的可行性，为QCD和新物理提供了严格的检验。