[论文解读] Measurement of t-channel production of single top quarks and antiquarks in pp collisions at 13 TeV using the full ATLAS Run 2 data sample

G. Aad, B. Abbott+2967 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ATLAS Run 2的140 fb⁻¹数据，对13 TeV质子-质子碰撞中t通道单顶夸克和反顶夸克的产生进行了高精度测量。测量得到的截面分别为σ(tq) = 137⁺⁸₋₈ pb 和 σ(ṫq) = 84⁺⁶₋₅ pb，其比值Rt = 1.636⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁴，与NNLO QCD理论预测高度一致，并对部分子分布函数、有效场论算符以及CKM矩阵元|Vtb| > 0.95（95%置信水平）提供了新的约束。

ABSTRACT

The production of single top quarks and top antiquarks via the t-channel exchange of a virtual W boson is measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 TeV at the LHC using 140 fb$^{−1}$ of ATLAS data. The total cross-sections are determined to be $ \sigma (tq)={137}_{-8}^{+8} $ pb and $ \sigma \left(\overline{t}q ight)={84}_{-5}^{+6} $ pb for top-quark and top-antiquark production, respectively. The combined cross-section is found to be $ \sigma \left( tq+\overline{t}q ight)={221}_{-13}^{+13} $ pb and the cross-section ratio is $ {R}_t=\sigma (tq)/\sigma \left(\overline{t}q ight)={1.636}_{-0.034}^{+0.036} $. The predictions at next-to-next-to-leading-order in quantum chromodynamics are in good agreement with these measurements. The predicted value of R$_{t}$ using different sets of parton distribution functions is compared with the measured value, demonstrating the potential to further constrain the functions when using this result in global fits. The measured cross-sections are interpreted in an effective field theory approach, setting limits at the 95% confidence level on the strength of a four-quark operator and an operator coupling the third quark generation to the Higgs boson doublet: $ -0.37<{C}_{Qq}^{3,1}/{\Lambda}^2<0.06 $ and $ -0.87<{C}_{\phi Q}^3/{\Lambda}^2<1.42 $. The constraint |V$_{tb}$| > 0.95 at the 95% confidence level is derived from the measured value of $ \sigma \left( tq+\overline{t}q ight) $, assuming that the Wtb interaction is a left-handed weak coupling and that |V$_{tb}$| ≫ |V$_{td}$|, |V$_{ts}$|. In a more general approach, pairs of CKM matrix elements involving top quarks are simultaneously constrained, leading to confidence contours in the corresponding two-dimensional parameter spaces.[graphic not available: see fulltext]

研究动机与目标

• 利用完整的ATLAS Run 2数据集，以更高精度测量t通道单顶夸克和反顶夸克产生截面。
• 通过截面比值Rt对u-夸克和d-夸克部分子分布函数（PDFs）的敏感性，对部分子分布函数（PDFs）施加约束。
• 通过设定四夸克算符和Higgs耦合算符的威尔逊系数限制，利用有效场论（EFT）对标准模型进行检验。
• 推导Cabibbo–Kobayashi–Maskawa（CKM）矩阵元|Vtb|的约束，并同时研究其与|Vtd|和|Vts|的关联。
• 通过结合高亮度数据与先进的统计和系统误差处理方法，提升对新物理的探测灵敏度。

提出的方法

• 在专门设计的信号区和控制区中对数据进行轮廓似然拟合，这些区域富含多 jets 事件和轻子衰变的顶夸克事件。
• 采用先进的对象重建技术，并改进对轻子伪造/非本征事件的建模，以降低背景污染。
• 应用最大似然拟合方法，同时约束信号事例数和背景贡献，包括系统不确定性。
• 利用蒙特卡罗模拟结合NNLO QCD预测来建模信号和背景过程，包括tW、tW、tt̄和二玻色子事件。
• 对EFT参数进行似然扫描，以获得威尔逊系数C3,1Qq/Λ²和C3ϕQ/Λ²的95%置信水平限制。
• 通过广义二维参数空间方法，将结果解释为对CKM矩阵元约束的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在140 fb⁻¹数据下，13 TeV能量下t通道单顶夸克和反顶夸克产生截面的精确值是多少？
• RQ2 NNLO QCD预测在多大程度上描述了测量得到的截面及其比值Rt？
• RQ3 利用测量得到的比值Rt，可以对部分子分布函数（PDFs）施加何种约束？
• RQ4 四夸克算符O3,1Qq和Higgs耦合算符O3ϕQ的威尔逊系数在95%置信水平下的限制是什么？
• RQ5 |Vtb|的下限是多少？|Vtb|、|Vts|和|Vtd|的CKM矩阵元如何被同时约束？

主要发现

• t通道单顶夸克和反顶夸克产生总截面测量结果为σ(tq + ṫq) = 221⁺¹³₋₁₃ pb。
• 顶夸克产生截面为σ(tq) = 137⁺⁸₋₈ pb，反顶夸克产生截面为σ(ṫq) = 84⁺⁶₋₅ pb。
• 截面比值Rt = σ(tq)/σ(ṫq) 测量结果为1.636⁺⁰.⁰³⁶₋₀.⁰³⁴，与NNLO QCD预测高度一致。
• 对EFT系数C3,1Qq/Λ²设定了95%置信水平的限制，结果为−0.37 < C3,1Qq/Λ² < 0.06。
• 对Higgs耦合算符的约束结果为−0.87 < C3ϕQ/Λ² < 1.42（95%置信水平）。
• 在假设Wtb耦合为左手性且|Vtb| ≫ |Vtd|、|Vts|的前提下，推导出|Vtb| > 0.95的下限（95%置信水平）