[论文解读] Measurement of the Inclusive and Fiducial Cross-Section of Single Top-Quark $t$-Channel Events in $pp$ Collisions at $\sqrt{s}$ = 8 TeV

Phillipp Tepel|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文利用 20.3 fb⁻¹ 的数据，首次测量了在 √s = 8 TeV 的 pp 碰撞中 t-通道单 top-夸克产生过程的束带截面。采用神经网络判别器分离信号与背景，得到的束带截面为 3.37 ± 0.05（统计）± 0.47（系统）± 0.09（亮度）pb，与标准模型预测一致，并由此确定了 |V_{tb}| = 0.97⁺⁰·⁰⁹₋₀·¹⁰（95% 置信水平）。

ABSTRACT

This article presents the measurement of a $t$-channel single top-quark production fiducial cross-section in the lepton+jets channel with 20.3 fb$^{-1}$ of 8 TeV data using a neural-network discriminant. A fiducial cross-section quoted within the detector acceptance of $σ_{ m fid} = 3.37 \pm 0.05 \, (\mathrm{stat.}) \pm 0.47 \, (\mathrm{syst.}) \pm 0.09 \, (\mathrm{lumi.})~ ext{pb}$ is obtained. The total inclusive $t$-channel cross-section is calculated using the acceptance predicted by various Monte Carlo generators. If the acceptance from the a MC@NLO + Herwig event generator is used, a value of $σ_t = 82.6 \pm 1.2 \, (\mathrm{stat.}) \pm 11.4 \, (\mathrm{syst.}) \pm 3.1 \, (\mathrm{PDF}) \pm 2.3 \, (\mathrm{lumi.})~ ext{pb}$ is obtained, consistent with the Standard Model prediction. Using the ratio of the measured inclusive cross-section to the predicted cross-section and assuming that the top-quark-related CKM matrix elements obey the relation $|V_{tb}|\gg |V_{ts}|, |V_{td}|$, the coupling strength at the $W$-$t$-$b$ vertex is determined to be $|V_{tb}|=0.97^{+0.09}_{-0.10}$. Assuming that $|V_{tb}|\leq 1$ a lower limit of $|V_{tb}|>0.78$ is obtained at the 95% confidence level.

研究动机与目标

• 测量在 √s = 8 TeV 的 pp 碰撞中 t-通道单 top-夸克产生过程的束带截面。
• 通过聚焦于由探测器接受度和运动学截断定义的束带相空间，减少模型依赖性。
• 利用测量的截面和理论预测，提取 W-顶-底夸克耦合强度 |V_{tb}|。
• 通过与 NLO+NNLL 计算比较，验证测量结果与标准模型的一致性。

提出的方法

• 选择事件标准为：一个孤立轻子（p_T > 25 GeV，|η| < 2.5），恰好两个喷注（p_T > 30 GeV，|η| < 4.5，且在 2.75 < |η| < 3.5 区域中 p_T > 35 GeV），一个 b-标记喷注，以及 E_T^{miss} > 30 GeV。
• 使用基于 14 个运动学可观测量训练的神经网络增强信号与背景的分离，输入变量在数据与模拟之间验证了符合性。
• 背景贡献通过除多喷注过程外所有过程的理论预测估计，多喷注背景则通过 E_T^{miss} 分布的分箱最大似然拟合提取。
• 多喷注背景采用电子通道的喷注-轻子方法和μ子通道的反μ子方法建模，两种方法均基于数据驱动技术。
• 使用比值 R_f = ε_{corr,sel} / ε_{corr,fid} 计算束带截面，其中 ˆν 由神经网络输出的拟合结果获得。
• 通过蒙特卡罗生成器（如 MC@NLO + Herwig）提供的接受度值，将束带截面外推为总截面，不确定性通过伪实验传播。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 √s = 8 TeV 的 pp 碰撞中，t-通道单 top-夸克产生过程的束带截面是多少？
• RQ2 测量得到的束带截面与 NLO 和匹配 LO 生成器的理论预测相比如何？
• RQ3 基于截面测量，W-顶-底夸克 CKM 矩阵元 |V_{tb}| 的测量值是多少？
• RQ4 在假设 |V_{tb}| ≤ 1 的前提下，|V_{tb}| 的 95% 置信水平下限是多少？
• RQ5 系统不确定性（尤其是喷注能量标度和生成器建模）如何影响截面测量的精度？

主要发现

• t-通道单 top-夸克产生过程的束带截面测量结果为 σ_{fid} = 3.37 ± 0.05（统计）± 0.47（系统）± 0.09（亮度）pb。
• 通过 a MC@NLO + Herwig 生成器外推得到的总 inclusive t-通道截面为 σ_t = 82.6 ± 1.2（统计）± 11.4（系统）± 3.1（PDF）± 2.3（亮度）pb。
• 测量得到的束带截面与 NLO+NNLL 理论预测高度一致，使用 POWHEG 和 a MC@NLO 生成器时差异仅为 1.7%。
• W-顶-底夸克顶点的耦合强度确定为 |V_{tb}| = 0.97⁺⁰·⁰⁹₋₀·¹⁰，与 CKM 矩阵的幺正性一致。
• 在假设 |V_{tb}| ≤ 1 的前提下，95% 置信水平下 |V_{tb}| > 0.78 的下限已确立。
• 主要系统不确定性来源于喷注能量标度 η-交叉校准和 t-通道生成器建模，对总不确定性 ±14% 贡献显著。