[论文解读] Measurement of the mass dependence of the transverse momentum of lepton pairs in Drell-Yan production in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

Tumasyan, Armen, Adam, Wolfgang+2359 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 6

一句话总结

本论文利用CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的36.3 fb⁻¹数据，对质子-质子碰撞中Drell-Yan轻子对的横向动量（pT）依赖性进行了高精度测量。研究引入了φ∗η作为低pT(ℓℓ)的稳健代理变量，将不变质量范围扩展至1 TeV，并通过将微分截面比值与Z玻色子峰进行比较，以减小系统不确定性，从而对微扰QCD和软胶子重求和模型提供了严格检验。

ABSTRACT

The double differential cross sections of the Drell-Yan lepton pair ($\ell^+\ell^-$, dielectron or dimuon) production are measured as functions of the invariant mass $m_{\ell\ell}$, transverse momentum $p_\mathrm{T}(\ell\ell)$, and $\phi^*_\eta$. The $\phi^*_\eta$ observable, derived from angular measurements of the leptons and highly correlated with $p_\mathrm{T}(\ell\ell)$, is used to probe the low-$p_\mathrm{T}(\ell\ell)$ region in a complementary way. Dilepton masses up to 1 TeV are investigated. Additionally, a measurement is performed requiring at least one jet in the final state. To benefit from partial cancellation of the systematic uncertainty, the ratios of the differential cross sections for various $m_{\ell\ell}$ ranges to those in the Z mass peak interval are presented. The collected data correspond to an integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$ of proton-proton collisions recorded with the CMS detector at the LHC at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Measurements are compared with predictions based on perturbative quantum chromodynamics, including soft-gluon resummation.

研究动机与目标

• 测量质子-质子碰撞中Drell-Yan轻子对的双微分截面，作为不变质量（mℓℓ）和横向动量（pT(ℓℓ)）的函数，能量中心为√s = 13 TeV。
• 将可探测的mℓℓ范围扩展至Z玻色子共振峰之外，达到1 TeV，以更优地检验QCD理论预测。
• 采用φ∗η可观测量作为pT(ℓℓ)的高分辨率替代方案，以探测低pT(ℓℓ)区域。
• 通过将不同mℓℓ区间内的截面与Z峰区域（80–90 GeV）的截面进行比值，以减小系统不确定性。
• 包含至少一个喷注的事件，以研究初态辐射和喷注诱导的pT(ℓℓ)贡献。

提出的方法

• 分析使用了CMS探测器在√s = 13 TeV下收集的36.3 fb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• φ∗η变量由轻子对在二轻子静止参考系中的横向夹角（∆φ）和散射角（θ∗η）计算得出，定义为φ∗η = tan[(π − ∆φ)/2] × sin(θ∗η)。
• 横向动量pT(ℓℓ)从两个轻子的四维动量重建，其分辨率主要受轻子动量不确定性的主导。
• 通过结合电子和μ子通道，提高统计精度并减小系统不确定性。
• 应用去卷积程序以修正探测器效应，系统不确定性通过控制样本与模拟结果的对比进行评估。
• 展示不同mℓℓ区间内微分截面与Z峰区域（80–90 GeV）的比值，以抑制共同的系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，Drell-Yan轻子对的横向动量谱在宽广的不变质量范围（50 GeV至1 TeV）内如何变化？
• RQ2 φ∗η可观测量在多大程度上相较于直接测量pT(ℓℓ)，能更精确地探测低pT(ℓℓ)区域？
• RQ3 下一阶（NLO）和软胶子重求和理论预测在不同mℓℓ区域中，对测量得到的pT(ℓℓ)和φ∗η谱的描述程度如何？
• RQ4 初态辐射和喷注活动对Drell-Yan事例中pT(ℓℓ)分布有何影响？
• RQ5 不同mℓℓ区间内截面与Z峰区域的比值如何提升测量精度并减小系统不确定性？

主要发现

• 在50 GeV至1 TeV的14个不变质量区间内，Drell-Yan轻子对的测量双微分截面具有全范围内高精度。
• φ∗η可观测量在低pT(ℓℓ)区域表现出优异的分辨率，使得对软胶子区域的详细探测成为可能，而该区域重求和至关重要。
• 与Z峰区域相比，微分截面的比值显示出显著减小的系统不确定性，在许多区间内低于1%，从而增强了对理论预测的敏感性。
• 数据与包含软胶子重求和的NLO pQCD计算结果高度一致，尤其在pT(ℓℓ)较低的区域，此时重求和效应占主导。
• 在包含所有事例的样本中，pT(ℓℓ)谱在高pT区域呈现明显上升，与固定阶QCD预测一致。
• 在单喷注末态中，由于多重硬QCD发射的贡献，低pT(ℓℓ)区域的pT(ℓℓ)谱被增强，证实了喷注标记事件对初态辐射的敏感性。