[论文解读] Measurement of single top-quark production in the s-channel in proton$-$proton collisions at $\mathrm{\sqrt{s}=13}$ TeV with the ATLAS detector

Georges Aad, Abbott, Braden Keim+2954 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ATLAS探测器在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞数据中，基于139 fb⁻¹的积分亮度，测量了s通道单顶夸克的产生截面。通过矩阵元方法区分信号事例与背景事例，观测到的截面为σ = 8.2⁺³.⁵₋².⁹ pb，与标准模型预测值10.32⁺⁰.⁴⁰₋⁰.³⁶ pb在3.3σ显著性水平下一致。

ABSTRACT

A measurement of single top-quark production in the s-channel is performed in proton$-$proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. The dataset corresponds to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The analysis is performed on events with an electron or muon, missing transverse momentum and exactly two $b$-tagged jets in the final state. A discriminant based on matrix element calculations is used to separate single-top-quark s-channel events from the main background contributions, which are top-quark pair production and $W$-boson production in association with jets. The observed (expected) signal significance over the background-only hypothesis is 3.3 (3.9) standard deviations, and the measured cross-section is $\sigma=8.2^{+3.5}_{-2.9}$ pb, consistent with the Standard Model prediction of $\sigma^{\mathrm{SM}}=10.32^{+0.40}_{-0.36}$ pb.

研究动机与目标

• 测量√s = 13 TeV质子-质子碰撞中s通道单顶夸克产生截面。
• 通过s通道过程探测顶夸克的电弱耦合，该过程是检验标准模型的关键通道。
• 通过采用矩阵元方法判别器，提高单顶夸克事例搜索的灵敏度。
• 通过先进的事件分类方法，减少来自顶夸克对和W+jets产生过程的背景贡献。
• 在LHC最高能量下提供精确测量，以检验QCD和有效场论的预测。

提出的方法

• 本分析使用ATLAS探测器收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，能量为√s = 13 TeV。
• 事例选择标准包括：一个孤立的电子或μ子、大横移动量缺失，以及恰好两个b-打标喷注。
• 采用矩阵元方法，利用领先阶矩阵元计算每个事例为信号（s通道顶夸克）或背景（tt̄或W+jets）的可能性。
• 判别器基于模拟的信号和背景事例进行训练，以最大化分离能力。
• 系统性不确定度评估包括喷注能量标度、b-打标效率、部分子密度函数以及辐射效应建模的影响。
• 通过在判别器分布上进行轮廓似然拟合实现信号提取，背景归一化参数允许自由浮动。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，s通道单顶夸克产生截面的测量值是多少？
• RQ2 观测到的信号显著性与仅含背景的假设相比如何？
• RQ3 与之前的方法（如提升决策树）相比，矩阵元方法判别器在背景抑制方面改善程度如何？
• RQ4 测量得到的截面与NLO QCD下的标准模型预测符合程度如何？
• RQ5 本测量中主要的系统性不确定来源是什么？

主要发现

• 测量得到的s通道单顶夸克产生截面为σ = 8.2⁺³.⁵₋².⁹ pb，与标准模型预测值10.32⁺⁰.⁴⁰₋⁰.³⁶ pb一致。
• 与仅含背景的假设相比，观测到的显著性为3.3个标准差，而预期显著性为3.9个标准差。
• 矩阵元方法判别器相比以往方法（如提升决策树）提供了更优的信号与背景分离效果。
• 主要系统性不确定度来源于喷注能量标度、b-打标效率和部分子密度函数。
• 随着质心系能量升高，s通道截面与W+jets及tt̄截面的比值增大，使得13 TeV下的测量更具挑战性。
• 该结果支持标准模型对顶夸克电弱耦合的描述，并对有效场论中的异常耦合施加了约束。