[论文解读] Measurement of inclusive and differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13.6 TeV

Hayrapetyan, Aram, Tumasyan, Armen+2397 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文首次利用2022年CMS收集的34.7 fb⁻¹数据，在√s = 13.6 TeV质子-质子碰撞中测量了单顶夸克与W玻色子产生（tW）过程的总截面和微分截面。通过使用多变量判别技术分离tW信号与主要的顶夸克对背景，测得的总截面为82.3 ± 2.1（统计）+9.9/−9.7（系统）±3.3（亮度）pb，与量子色动力学（QCD）下一阶微扰计算的标准模型预测一致。

ABSTRACT

The first measurement of the inclusive and normalised differential cross sections of single top quark production in association with a W boson in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13.6 TeV is presented. The data were recorded with the CMS detector at the LHC in 2022, and correspond to an integrated luminosity of 34.7 fb$^{−1}$. The analysed events contain one muon and one electron in the final state. For the inclusive measurement, multivariate discriminants exploiting the kinematic properties of the events are used to separate the signal from the dominant top quark-antiquark production background. A cross section of $ 82.3\pm 2.1{\left( extrm{stat} ight)}_{-9.7}^{+9.9}\left( extrm{syst} ight)\pm 3.3\left( extrm{lumi} ight) $ pb is obtained, consistent with the predictions of the standard model. A fiducial region is defined according to the detector acceptance to perform the differential measurements. The resulting differential distributions are unfolded to particle level and show good agreement with the predictions at next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 测量在√s = 13.6 TeV质子-质子碰撞中tW产生的总截面与微分截面。
• 降低主要来自顶夸克对（tt̄）产生过程的背景污染，该过程主导最终态。
• 在探测器接受度范围内进行微分测量，并展开至粒子层次，以改善与理论的对比。
• 检验tW产生率与量子色动力学（QCD）下一阶微扰计算的标准模型预测的一致性。
• 为顶夸克对截面测量提供精确输入，其中tW是主要不确定度来源。

提出的方法

• 使用多变量判别技术（如提升决策树或类似方法）基于运动学特性区分tW信号与主要的tt̄背景。
• 在多个事件类别中应用最大似然拟合以提取tW信号产额。
• 基于探测器接受度定义一个事例区域，要求最终态中包含一个μ子和一个电子。
• 使用迁移矩阵将微分分布展开至粒子层次，以校正探测器效应。
• 使用蒙特卡洛模拟（包括POWHEG+Pythia8和HERWIG++）对信号与背景进行建模，涵盖下一阶QCD与部分子辐射匹配。
• 对实验、理论及亮度来源的系统性不确定度进行评估，包括部分子分布函数（PDF）和αS的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13.6 TeV下，tW产生的总截面是多少？与标准模型预测如何比较？
• RQ2 tW产生过程的微分截面如何随顶夸克横动量和不变质量等运动学可观测量变化？
• RQ3 在展开至粒子层次后，测量的微分分布与下一阶微扰QCD预测的一致程度如何？
• RQ4 在13.6 TeV下，tW背景对总tt̄截面测量的显著性如何？
• RQ5 多变量技术在抑制tt̄背景的同时，对二轻子末态中tW信号的保留效果如何？

主要发现

• 测得的总tW产生截面为82.3 ± 2.1（统计）+9.9/−9.7（系统）±3.3（亮度）pb，与标准模型预测值87.9+2.0/−1.9（尺度）±2.4（PDF+αS）pb一致。
• 微分截面已展开至粒子层次，与下一阶微扰QCD预测具有良好一致性。
• 事例区域基于探测器接受度定义，最终态要求包含一个μ子和一个电子。
• 主要背景为顶夸克对产生，其在最富集类别中贡献约80%的事件。
• 系统性不确定度主要来自理论尺度和PDF变化，亮度不确定度贡献±3.3 pb。
• 该测量为顶夸克对截面分析提供了精确输入，其中tW是显著的不确定度来源。