[论文解读] Measurement of $t$-channel single-top-quark production in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2929 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 60被引用 1

一句话总结

本论文首次利用大型强子对撞机ATLAS探测器采集的255 pb⁻¹数据，在√s = 5.02 TeV的pp碰撞中测量了t-通道单顶夸克产生过程。tq + t̄q产生过程的总截面测量结果为27.1⁺⁴.⁴₋₄.₁（统计）⁺⁴.⁴₋₃.₇（系统）pb，比值Rt = 2.73⁺¹.⁴₃₋₀.⁸₂（统计）⁺¹.⁰₁₋₀.²₉（系统），与标准模型预测高度一致。

ABSTRACT

The observation of the electroweak production of single-top-quarks is made using 255 $ ext{pb}^{-1}$ of proton-proton collision data recorded at $\sqrt{s} = 5.02$ TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. An event selection is used to identify single-top-quark candidates arising from $t$-channel production with the top quark decaying semi-leptonically. Events passing the selection are then used to measure the inclusive cross-section for the combined production of single-top-quarks and antiquarks, $\sigma({tq + \bar{t}q})$, and the ratio $R_t$ between these two. They are measured to be $\sigma({tq + \bar{t}q}) = 27.1^{+4.4}_{-4.1} ( ext{stat.}) ^{+4.4}_{-3.7} ( ext{syst.})$ pb and $R_t = 2.73^{+1.43}_{-0.82} ( ext{stat.}) ^{+1.01}_{-0.29} ( ext{syst.})$. The individual single-top-quark ($t q$) and single-top-antiquark ($\bar{t} q$) production cross-sections are measured to be $\sigma(t q) = 19.8^{+3.9}_{-3.1} ( ext{stat.}) ^{+2.9}_{-2.2} ( ext{syst.})$ pb and $\sigma(\bar{t}q) = 7.3^{+3.2}_{-2.1} ( ext{stat.}) ^{+2.8}_{-1.5} ( ext{syst.})$ pb. All measurements are in good agreement with the Standard Model predictions.

研究动机与目标

• 在尚未探索该通道的中心系能量√s = 5.02 TeV的pp碰撞中，观测并测量t-通道单顶夸克产生过程。
• 测量tq + t̄q产生过程的总截面以及比值Rt = σ(tq)/σ(t̄q)，以检验CKM矩阵元Vtb。
• 在较低能量尺度下提供一项独立测量，其背景和探测器系统误差特性与以往高能结果不同。
• 在新的动量区域验证标准模型对电弱单顶夸克产生的预测。

提出的方法

• 通过半轻衰变（t → bW⁺ → bℓ⁺νℓ）在e、μ和τ末态中识别t-通道单顶夸克候选事例，应用事件选择。
• 使用中等识别标准和严格隔离标准选择轻子，以抑制来自喷注或重味衰变的误识或非本征轻子。
• 利用粒子流算法重建喷注，并通过与顶夸克反冲的轻夸克喷注增强信号本征拓扑结构的识别。
• 利用数据驱动技术与蒙特卡罗模拟估算W+喷注、tt̄、Z+喷注及二玻色子过程等背景。
• 通过在轻子pT、缺失横向动量及喷注pT等运动学变量观测分布的联合拟合提取截面。
• 对探测器效应、背景建模及亮度的系统性不确定度进行评估，并完整传播至最终结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 5.02 TeV下，t-通道单顶夸克与反顶夸克产生过程的总截面是多少？
• RQ2 比值Rt = σ(tq)/σ(t̄q)是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ3 在该较低质心系能量下，测量的截面与理论预测相比如何？
• RQ4 能否在ATLAS探测器中观测并测量pp碰撞下√s = 5.02 TeV的t-通道单顶夸克产生过程？
• RQ5 该测量在通过Vtb检验CKM矩阵幺正性方面具有何种显著意义？

主要发现

• tq + t̄q产生过程的总截面测量结果为σ(tq + t̄q) = 27.1⁺⁴.⁴₋₄.₁（统计）⁺⁴.⁴₋₃.₇（系统）pb。
• 比值Rt = σ(tq)/σ(t̄q)测量结果为2.73⁺¹.⁴₃₋₀.⁸₂（统计）⁺¹.⁰₁₋₀.²₉（系统）。
• 单顶夸克产生过程的截面为σ(tq) = 19.8⁺³.⁹₋₃.¹（统计）⁺².⁹₋₂.²（系统）pb。
• 单顶反夸克产生过程的截面为σ(t̄q) = 7.3⁺³.²₋₂.¹（统计）⁺².⁸₋₁.⁵（系统）pb。
• 所有测量值均与标准模型预测高度一致，支持电弱顶夸克产生机制的有效性。
• 该测量在较低质心系能量下提供了新的、独立的标准模型检验，其系统误差特性与之前在√s = 7、8和13 TeV下的结果不同。