[论文解读] Measurement of the charge asymmetry in top-quark pair production in association with a photon with the ATLAS experiment

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS实验在√s = 13 TeV下收集的139 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，首次测量了顶夸克对产生过程中伴随一个光子（tt̄γ）的电荷不对称性。通过在单轻子末态中采用轮廓似然反卷积方法，测得的不对称性为𝐴C = −0.003 ± 0.029，与标准模型预测一致，表明该末态中不存在显著偏离零的不对称性。

ABSTRACT

A measurement of the charge asymmetry in top-quark pair ($t\bar{t}$) production in association with a photon is presented. The measurement is performed in the single-lepton $t\bar{t}$ decay channel using proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at CERN at a centre-of-mass-energy of 13 TeV during the years 2015-2018, corresponding to an integrated luminosity of 139 fb$^{-1}$. The charge asymmetry is obtained from the distribution of the difference of the absolute rapidities of the top quark and antiquark using a profile likelihood unfolding approach. It is measured to be $A_ ext{C}=-0.003 \pm 0.029$ in agreement with the Standard Model expectation.

研究动机与目标

• 测量顶夸克对在伴随一个光子的产生过程（tt̄γ）中的电荷不对称性，该过程中的不对称性预计相较于非微分tt̄产生过程有所增强。
• 通过探测在量子电动力学和量子色动力学图式干涉效应更显著的末态中电荷不对称性，以检验潜在的新物理信号。
• 通过聚焦于光子源自初态或末态辐射的tt̄γ事例，减少由对称的胶子-胶子初态过程引起的稀释效应。
• 通过隔离一个理论上预测具有−1%至−2%不对称性的通道，提高对标准模型之外贡献的敏感度。
• 通过基于神经网络的背景抑制和最大似然反卷积方法，验证分析方法的有效性，从而从快度分布中提取不对称性。

提出的方法

• 通过将运动学似然拟合应用于重建顶夸克和反顶夸克四momenta，实现对单轻子末态中顶夸克的重建。
• 应用神经网络（NN）基于运动学和拓扑变量，将信号（tt̄γ）与背景事例分离，定义信号增强区和背景增强区。
• 将顶夸克与反顶夸克绝对快度之差（|𝑦𝑡| − |𝑦¯𝑡|）作为提取不对称性的关键可观测量。
• 采用轮廓似然反卷积方法校正探测器分辨率和重建效应，从而精确测量真实不对称性。
• 对反卷积后的|𝑦𝑡| − |𝑦¯𝑡|分布进行最大似然拟合，以提取电荷不对称性𝐴C。
• 使用模拟和数据驱动技术对探测器效应和系统不确定性进行修正，包括喷流能量标度、轻子效率和堆堆积修正。

实验结果

研究问题

• RQ1 在13 TeV下tt̄γ产生过程中测得的电荷不对称性值是多少？其与标准模型预测相比如何？
• RQ2 tt̄γ末态是否由于标准模型预测的增强QED和QCD干涉效应而表现出可测量的不对称性？
• RQ3 该分析能否检测到偏离标准模型的迹象，例如Z′玻色子或色八重态态的贡献？
• RQ4 基于神经网络的背景抑制与轮廓似然反卷积在降低不对称性测量中的系统不确定性方面效果如何？
• RQ5 当光子源自顶夸克衰变而非初态或末态辐射时，电荷不对称性在多大程度上被稀释？

主要发现

• 测得的tt̄γ产生过程中的电荷不对称性为𝐴C = −0.003 ± 0.029，与标准模型预测的小负不对称性一致。
• 结果未显示与零不对称性存在显著偏离，支持了标准模型在该末态中对顶夸克对产生过程的描述。
• 0.029的不确定度与139 fb⁻¹数据集的预期统计精度一致，表明反卷积和拟合程序具有鲁棒性。
• 分析证实，tt̄γ通道对初态和末态辐射的干涉效应敏感，这些效应在标准模型中预测可产生−1%至−2%的负不对称性。
• 基于神经网络的背景抑制有效提升了信号灵敏度，减少了非tt̄γ过程的污染。
• 系统不确定性得到良好控制，主要贡献来自喷流能量标度和轻子重建效率。