[论文解读] Measurement of the inclusive cross sections for W and Z boson production in proton-proton collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 5.02 and 13 TeV

Aram Hayrapetyan, A. Tumasyan+2336 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用2017年CMS数据中298 pb⁻¹和206 pb⁻¹的积分亮度，对√s = 5.02 和 13 TeV的质子-质子碰撞中，W和Z玻色子的包含式产生截面进行了精确测量。结果系统误差减小，与NNLO QCD预言高度一致，并在两种质心系能量下提供了截面比值，对质子部分子分布函数（PDFs）施加了严格约束。

ABSTRACT

Measurements of fiducial and total inclusive cross sections for W and Z boson production are presented in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 5.02 and 13 TeV. Electron and muon decay modes ($ell$ = e or$\mu$) are studied in the data collected with the CMS detector in 2017, in dedicated runs with reduced instantaneous luminosity. The data sets correspond to integrated luminosities of 298 $\pm$ 6 pb$^{-1}$ at 5.02 TeV and 206 $\pm$ 5 pb$^{-1}$ at 13 TeV. Measured values of the products of the total inclusive cross sections and the branching fractions at 5.02 TeV are $\sigma$(pp $ o$ W+X)$\mathcal{B}$(W $ o$$\ell u$) = 7300 $\pm$ 10 (stat) $\pm$ 60 (syst) $\pm$ 140 (lumi) pb, and $\sigma$(pp $ o$ Z+X)$\mathcal{B}$(Z $ o$$\ell^+\ell^-$) = 669 $\pm$ 2 (stat) $\pm$ 6 (syst) $\pm$ 13 (lumi) pb for the dilepton invariant mass in the range of 60-120 GeV. The corresponding results at 13 TeV are 20480 $\pm$ 10 (stat) $\pm$ 170 (syst) $\pm$ 470 (lumi) pb and 1952 $\pm$ 4 (stat) $\pm$ 18 (syst) $\pm$ 45 (lumi) pb. The measured values agree with cross section calculations at next-to-next-to-leading-order in perturbative quantum chromodynamics. Fiducial and total inclusive cross sections, ratios of cross sections of W$^+$ and W$^-$ production as well as inclusive W and Z boson production, and ratios of these measurements at 5.02 and 13 TeV are reported.

研究动机与目标

• 测量在√s = 5.02 和 13 TeV下质子-质子碰撞中W和Z玻色子产生过程的几何截面和总截面。
• 通过改进的pTmiss和轻子隔离，利用专用低亮度运行以减小系统误差。
• 比较5.02 TeV和13 TeV下W⁺/W⁻和包含式W/Z产生截面的比值。
• 为约束质子部分子分布函数（PDFs）提供高精度数据。
• 验证QCD中下一阶（NNLO）和电弱修正中下一阶的理论预言。

提出的方法

• 数据通过2017年专用运行期间的CMS探测器获取，瞬时亮度降低（5.02 TeV时为1.3×10³³ cm⁻²s⁻¹，13 TeV时为2.5×10³³ cm⁻²s⁻¹）。
• 利用粒子流算法和完整事件重建，对W → ℓν和Z → ℓ⁺ℓ⁻的轻子衰变（ℓ = e, μ）进行重建。
• 分析使用NLO QCD模拟，信号过程采用MADGRAPH5_aMC@NLO，背景过程采用POWHEG，包括二玻色子、顶夸克和Drell-Yan贡献。
• 探测器响应通过GEANT4模拟，堆叠事件通过PYTHIA 8.230的CP5调谐参数进行模拟。
• 系统误差通过控制区域、校准方法以及动量标度、分辨率和隔离效率的专门研究进行评估。
• 通过同时拟合双轻子和缺失横向动量分布，提取截面，亮度不确定性来自专用亮度测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5.02 TeV下，包含式W和Z玻色子产生截面的绝对值和比值与13 TeV下的结果相比如何？
• RQ2 测量得到的截面在多大程度上与NNLO QCD和NLO电弱预言一致？
• RQ3 截面测量的精度如何？与以往结果相比，系统误差有何变化？
• RQ4 在5.02 TeV和13 TeV下，W⁺/W⁻和W/Z产生截面比值有何差异？
• RQ5 这些测量对质子部分子分布函数（PDFs）施加了何种约束？

主要发现

• 在5.02 TeV下，W⁺产生总包含截面与分支比的乘积为σ(pp → W⁺ + X) × B(W⁺ → ℓν) = 7300 ± 10（统计）± 60（系统）± 140（亮度）pb。
• 在5.02 TeV下，Z玻色子产生的对应值为σ(pp → Z + X) × B(Z → ℓ⁺ℓ⁻) = 669 ± 2（统计）± 6（系统）± 13（亮度）pb，双轻子质量在60–120 GeV范围内。
• 在13 TeV下，对应值分别为W⁺的20480 ± 10（统计）± 170（系统）± 470（亮度）pb和Z玻色子的1952 ± 4（统计）± 18（系统）± 45（亮度）pb。
• 测量得到的截面在不确定度范围内与NNLO QCD预言一致，验证了该理论框架在高精度下的有效性。
• 与以往结果相比，5.02 TeV下W⁺/W⁻产生比值和W/Z截面比值的测量精度得到提升。
• 报告了5.02 TeV和13 TeV下的截面比值，使能量依赖性与PDF约束的直接比较成为可能。