[论文解读] Measurement of the cross section of top quark-antiquark pair production in association with a W boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2382 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用大型强子对撞机（LHC）CMS实验采集的138 fb⁻¹数据，对质子-质子对撞中√s = 13 TeV条件下顶夸克-反顶夸克对与W玻色子联合产生（ttW）过程进行了迄今为止最精确的测量。通过多变量分析及先进的轻子与b-夸克喷注识别技术，测得的总ttW截面为868 ± 40（统计）± 51（系统）fb，与标准模型预测在两个标准差范围内一致。

ABSTRACT

The production of a top quark-antiquark pair in association with a W boson ($\mathrm{t\bar{t}}$W) is measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The analyzed data was recorded by the CMS experiment at the CERN LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with two or three leptons (electrons and muons) and additional jets are selected. In events with two leptons, a multiclass neural network is used to distinguish between the signal and background processes. Events with three leptons are categorized based on the number of jets and of jets originating from b quark hadronization, and the lepton charges. The inclusive $\mathrm{t\bar{t}}$W production cross section in the full phase space is measured to be 868 $\pm$ 40 (stat) $\pm$ 51 (syst) fb. The $\mathrm{t\bar{t}}$W$^+$ and $\mathrm{t\bar{t}}$W$^-$ cross sections are also measured as 553 $\pm$ 30 (stat) $\pm$ 30 (syst) and 343 $\pm$ 26 (stat) $\pm$ 25 (syst) fb, respectively, and the corresponding ratio of the two cross sections is found to be 1.61 $\pm$ 0.15 (stat) $^{+0.07}_{-0.05}$ (syst). The results are consistent with the standard model predictions within two standard deviations, and represent the most precise measurement of these cross sections to date.

研究动机与目标

• 测量质子-质子对撞中√s = 13 TeV条件下顶夸克-反顶夸克对与W玻色子联合产生（ttW）的总截面。
• 通过使用更大数据集（138 fb⁻¹）和先进分析技术，提升先前测量的精度。
• 研究ttW⁺与ttW⁻产生过程之间的电荷不对称性，该不对称性对弱相互作用耦合及新物理具有敏感性。
• 通过优化的多变量分析和基于机器学习的识别方法，减少非本征轻子和误识别喷注带来的背景贡献。
• 为改进量子色动力学（QCD）和电弱修正的下一阶精度（next-to-leading order）ttW产生理论计算提供关键输入。

提出的方法

• 选择包含两个或三个带电轻子（电子或μ子）及额外喷注的事件，利用顶夸克和W玻色子的衰变末态特征。
• 在双轻子末态中使用多类别神经网络，优化区分本征与非本征轻子，以区分信号与背景。
• 在三轻子末态中，根据喷注数量、b-夸克喷注含量及轻子电荷对事件进行分类，以增强信号灵敏度。
• 利用数据驱动技术估算背景，包括控制区域和模拟方法，特别关注非本征轻子和误重建电子。
• 评估实验（如轻子和喷注能量标度、b-打靶）与理论（如部分子分布函数PDF、部分子辐射效应）来源的系统不确定性。
• 通过数据的轮廓似然拟合提取截面，综合考虑所有信号与背景组分及其不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV质子-质子对撞中，ttW产生的总截面是多少？
• RQ2 ttW⁺与ttW⁻的截面有何差异？测得的电荷不对称性如何？
• RQ3 测量得到的截面与标准模型预测的一致性如何？它们对新物理的约束能力如何？
• RQ4 与以往分析相比，先进机器学习技术在提升信号与背景区分能力方面有何改进？
• RQ5 改进的轻子与b-夸克喷注识别对整体测量精度有何影响？

主要发现

• 测得的总ttW产生截面为868 ± 40（统计）± 51（系统）fb，为迄今最精确的测量结果。
• ttW⁺与ttW⁻的截面分别测得为553 ± 30（统计）± 30（系统）fb和343 ± 26（统计）± 25（系统）fb。
• ttW⁺与ttW⁻截面之比为1.61 ± 0.15（统计）+0.07⁄−0.05（系统），与部分子分布函数预测的电荷不对称性一致。
• 测量结果略高于但与标准模型预测在两个标准差范围内一致。
• 本分析得益于数据亮度提高了3.8倍（138 fb⁻¹），并结合改进的基于机器学习的轻子与b-夸克喷注识别，显著提升了灵敏度。
• 结果为改进ttW产生过程的下一阶精度量子色动力学与电弱修正理论计算提供了关键基准。