[论文解读] Measurement of $ t\overline{t} $ production in association with additional b-jets in the eμ final state in proton–proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Aakvaag, Erlend+2970 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本论文利用LHC在√s = 13 TeV下采集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，使用ATLAS探测器对eμ末态中顶-反顶夸克对（tt̄）与额外b夸克喷注的联合产生过程进行了精确测量。研究在部分子层次报告了截面和微分分布，结果与下一阶微分QCD预言相符，但尚无单一理论模型能同时准确描述所有可观测量，凸显了对改进理论建模和提升测量灵敏度的迫切需求。

ABSTRACT

This paper presents measurements of top-antitop quark pair ($t\bar{t}$) production in association with additional $b$-jets. The analysis utilises 140 fb$^{-1}$ of proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Fiducial cross-sections are extracted in a final state featuring one electron and one muon, with at least three or four $b$-jets. Results are presented at the particle level for both integrated cross-sections and normalised differential cross-sections, as functions of global event properties, jet kinematics, and $b$-jet pair properties. Observable quantities characterising $b$-jets originating from the top quark decay and additional $b$-jets are also measured at the particle level, after correcting for detector effects. The measured integrated fiducial cross-sections are consistent with $t\bar{t}b\bar{b}$ predictions from various next-to-leading-order matrix element calculations matched to a parton shower within the uncertainties of the predictions. State-of-the-art theoretical predictions are compared with the differential measurements; none of them simultaneously describes all observables. Differences between any two predictions are smaller than the measurement uncertainties for most observables.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV下，eμ末态中顶-反顶夸克对与额外b夸克喷注联合产生的截面。
• 通过在部分子层次上定义接近探测器级选择的截断相空间，减少依赖模型的外推。
• 提供对喷注动量、b夸克喷注对性质及顶夸克衰变构型敏感的微分截面测量。
• 检验最先进的NLO QCD预言（与部分子喷注匹配）在多个可观测量上与数据的兼容性。
• 深化对tt̄+b-jets产生过程中QCD动力学的理解，这对类似末态中Higgs玻色子和Z玻色子的分析至关重要。

提出的方法

• 利用LHC在2015–2018年期间由ATLAS探测器采集的140 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 基于稳定部分子层次对象，在部分子层次上定义截断相空间，使其与探测器级选择高度匹配，以最小化探测器响应修正。
• 使用基于数据的修正因子对探测器层次可观测量进行去卷积，以恢复部分子层次分布，特别针对b夸克喷注的味组成。
• 应用背景估计技术，包括对非即时和误识别轻子的基于数据的方法，以及即时轻子背景的估计。
• 使用多种蒙特卡罗生成器（如MadGraph5_aMC@NLO + Herwig 7）对信号和背景过程进行建模，采用NLO矩阵元与部分子喷注匹配。
• 量化统计不确定性和系统不确定度，包括实验不确定度、信号建模不确定度和背景建模不确定度，以确保截面提取的稳健性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在eμ末态中，tt̄+b-jets产生的测量截面与下一阶微分QCD预言相比如何？
• RQ2 当前与部分子喷注匹配的NLO QCD预言在多大程度上能描述b夸克喷注动量和顶夸克衰变产物的微分分布？
• RQ3 在b夸克喷注数量、横动量、二喷注质量或角关联分布中，是否存在理论预言与数据之间的可观测差异？
• RQ4 被分配至顶夸克衰变或胶子辐射的b夸克喷注的测量分布与理论预期相比如何？
• RQ5 当综合考虑多个可观测量的积分截面和微分截面时，数据与预言的兼容性水平如何？

主要发现

• 对至少包含三个或四个b夸克喷注的tt̄+b-jets产生过程，测量得到的积分截面在实验不确定度范围内与NLO QCD预言（与部分子喷注匹配）一致。
• 尚无单一理论预言能同时准确描述所有测量的微分分布，表明当前对b夸克喷注产生机制的建模仍存在局限。
• 任意两个理论预言之间的差异通常小于测量不确定度和QCD尺度变化，表明当前数据对不同模型的区分能力有限。
• 将b夸克喷注分类为源自顶夸克衰变或胶子辐射的动量分布与数据的兼容性，与按pT排序的分布相当，表明分析对喷注分配方案具有鲁棒性。
• 在tt̄事例中成功应用了基于数据的b夸克喷注味组成修正因子，降低了去卷积过程中的模型依赖性。
• 微分测量结果，包括领先b夸克喷注的pT谱、二喷注质量及额外b夸克喷注的角分布，全面揭示了顶夸克产生过程中伴随b夸克喷注的QCD动力学。