[论文解读] Measurement of the inclusive $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $ cross section in final states with at least one lepton and additional jets with 302 pb$^{−1}$ of pp collisions at $ \sqrt{ extrm{s}} $ = 5.02 TeV

CMS Collaboration, Hayrapetyan, A.+2399 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2017年LHC低堆积因数运行期间采集的302 pb⁻¹数据，测量了质子-质子对撞中√s = 5.02 TeV下的顶夸克对（tt̄）产生截面。通过多变量分析方法，在包含一个轻子和多个喷注（包括b喷注）的事件中分离信号与背景，测得的截面为62.5 ± 1.6（统计）⁺².⁶₋².⁵（系统） ± 1.2（亮度） pb，与NNLO标准模型预测值69.5⁺³.⁵₋³.⁷ pb高度一致。

ABSTRACT

A measurement of the top quark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$) production cross section in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 5.02 TeV is presented. The data were collected at the LHC in autumn 2017, in dedicated runs with low-energy and low-intensity conditions with respect to the default configuration, and correspond to an integrated luminosity of 302 pb$^{-1}$. The measurement is performed using events with one electron or muon, and multiple jets, at least one of them being identified as b quark (b tagged). Events are classified based on the number of all reconstructed jets and of b-tagged jets. Multivariate analysis techniques are used to enhance the separation between the signal and backgrounds. The measured cross section is 62.5 $\pm$ 1.6 (stat) $^{+2.6}_{-2.5}$ (syst) $\pm$ 1.2 (lumi) pb. A combination with the result in the dilepton channel based on the same data set yields a value of 62.3 $\pm$ 1.5 (stat) $\pm$ 2.4 (syst) $\pm$ 1.2 (lumi) pb, to be compared with the standard model prediction of 69.5$^{+3.5}_{-3.7}$ pb at next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics.

研究动机与目标

• 利用低堆积因数数据样本，测量质子-质子对撞中√s = 5.02 TeV下的整体顶夸克对产生截面。
• 通过使用多变量技术分析包含一个轻子和多个喷注（包括b喷注）的事件，提高测量精度。
• 将单轻子与双轻子末态的结果结合，以增强统计显著性。
• 在QCD的下一下一阶（NNLO）下检验标准模型对tt̄截面的预测。
• 通过精确截面测量约束部分子分布函数，并探测潜在的新物理。

提出的方法

• 2017年11月低强度LHC运行期间，收集的√s = 5.02 TeV质子-质子对撞数据，总量为302 pb⁻¹。
• 事件选择要求包含一个电子或μ子、至少四个喷注，以及至少一个b喷注，以增强对tt̄信号的敏感度。
• 采用多变量分析技术（如矩阵元方法或提升决策树）区分tt̄信号与W+jets和Drell-Yan等主要背景。
• 在多个事件类别中同时进行最大似然拟合，以提取截面，同时约束系统不确定性。
• 使用POWHEG（NLO）模拟tt̄信号，使用MADGRAPH5_aMC@NLO（NLO）模拟背景，以建模信号区和控制区。
• 系统不确定性评估涵盖喷注能量标度、b喷注识别效率、轻子重建、堆积因数和亮度，所有类别间保持完全相关。

实验结果

研究问题

• RQ1 在使用单轻子 + 喷注末态时，质子-质子对撞中√s = 5.02 TeV下的顶夸克对产生截面测量值是多少？
• RQ2 测量得到的截面与QCD NNLO标准模型预测相比如何？
• RQ3 在相同数据集中，结合单轻子与双轻子末态测量结果，精度提升了多少？
• RQ4 喷注能量标度、b喷注识别和轻子重建等系统不确定性对最终截面结果的影响程度如何？
• RQ5 在5.02 TeV下测量的截面是否偏离标准模型预测，可能暗示新物理或部分子分布函数敏感性？

主要发现

• 单轻子 + 喷注末态下测得的整体tt̄截面为62.5 ± 1.6（统计）⁺².⁶₋².⁵（系统） ± 1.2（亮度） pb。
• 与双轻子通道结合后，截面结果为62.3 ± 1.5（统计） ± 2.4（系统） ± 1.2（亮度） pb，统计精度进一步提升。
• 测量值与QCD中NNLO（含NNLL重加和）标准模型预测值69.5⁺³.⁵₋³.⁷ pb一致。
• 主要系统不确定性来源于喷注能量标度和b喷注识别效率，其次为亮度和轻子重建。
• 低堆积因数环境（平均堆积因数为2）相比标准LHC条件，显著提升了事件重建质量和背景抑制效果。
• 该结果对部分子分布函数提供了严格检验，并支持了该能量尺度下标准模型的一致性。