[论文解读] Measurement of the production of a $W$ boson in association with a charmed hadron in $pp$ collisions at $\sqrt{s} = 13\,\mathrm{TeV}$ with the ATLAS detector

G. Aad|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 111被引用 3

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在√s = 13 TeV的pp碰撞数据（140 fb⁻¹）中，对与粲强子（D⁺和D*⁺）关联产生的W玻色子进行了精确测量。通过针对重建的次级顶点和轻子运动学的条件似然拟合，测得的几何截面为W⁻+D⁺的50.2 ± 0.2（统计）⁺².⁴₋².³ pb，结果与NLO QCD预言一致，并表明奇异夸克海的s–s̄不对称性较小。

ABSTRACT

The production of a $W$ boson in association with a single charm quark is studied using 140 $\mathrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13\,\mathrm{TeV}$ proton-proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The charm quark is tagged by a charmed hadron, reconstructed with a secondary-vertex fit. The $W$ boson is reconstructed from an electron/muon decay and the missing transverse momentum. The mesons reconstructed are $D^{\pm} o K^\mp \pi^\pm \pi^\pm$ and $D^{*\pm} o D^{0} \pi^\pm o (K^\mp \pi^\pm) \pi^\pm$, where $p_{ ext{T}}(e, \mu) > 30\,\mathrm{GeV}$, $|\eta(e, \mu)| < 2.5$, $p_{ ext{T}}(D) > 8\,\mathrm{GeV}$, and $|\eta(D)| < 2.2$. The integrated and normalized differential cross-sections as a function of the pseudorapidity of the lepton from the $W$ boson decay, and of the transverse momentum of the meson, are extracted from the data using a profile likelihood fit. The measured fiducial cross-sections are $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{-}{+}D^{+}) = 50.2\pm0.2\,\mathrm{(stat.)}\,^{+2.4}_{-2.3}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{+}{+}D^{-}) = 48.5\pm0.2\,\mathrm{(stat.)}\,^{+2.3}_{-2.2}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{-}{+}D^{*+}) = 51.1\pm0.4\,\mathrm{(stat.)}\,^{+1.9}_{-1.8}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$, and $\sigma^{\mathrm{OS-SS}}_{\mathrm{fid}}(W^{+}{+}D^{*-}) = 50.0\pm0.4\,\mathrm{(stat.)}\,^{+1.9}_{-1.8}\,\mathrm{(syst.)}\,\mathrm{pb}$. Results are compared with the predictions of next-to-leading-order quantum chromodynamics calculations performed using state-of-the-art parton distribution functions. The ratio of charm to anti-charm production cross-sections is studied to probe the $s$-$\bar{s}$ quark asymmetry and is found to be $R_c^\pm = 0.971\pm0.006\,\mathrm{(stat.)}\pm0.011\,\mathrm{(syst.)}$.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV的pp碰撞中，W玻色子与D⁺和D*⁺介子关联产生的几何截面。
• 通过研究粲夸克与反粲夸克产生之比，探测奇异夸克部分子分布函数（PDF）。
• 利用高精度的LHC数据，检验质子中s–s̄夸克海对称性的有效性。
• 通过分析W+D(∗)产生的清洁且良好建模的末态，改进对奇异PDF的约束。

提出的方法

• 通过次级顶点拟合重建D⁺ → K⁻π⁺π⁺和D*⁺ → D⁰π⁺ → (K⁻π⁺)π⁺衰变。
• 通过轻子衰变（电子或μ子）及缺失横向动量识别W玻色子。
• 采用条件似然拟合方法，从D(∗)候选者的不变质量和W衰变轻子运动学中提取信号产额。
• 利用正负电荷与同电荷轻子对，通过OS–SS减法抑制多喷胶背景。
• 对微分截面进行完整拟合，作为轻子伪快度和D(∗)强子横向动量的函数。
• 使用预拟合的干扰参数和来自数据驱动及模拟估算的协方差矩阵，评估系统不确定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV的pp碰撞中，W⁻+D⁺的总几何截面是多少？
• RQ2 测量得到的W+D(∗)截面与使用现代部分子分布函数的下一阶微扰QCD预言相比如何？
• RQ3 在W+D(∗)事例中，粲夸克与反粲夸克的产生比是多少？这对s–s̄夸克海不对称性有何含义？
• RQ4 W+D(∗)末态是否能为奇异夸克PDF提供比以往测量更优的约束？

主要发现

• 测得的W⁻+D⁺几何截面为50.2 ± 0.2（统计）⁺².⁴₋².³ pb，与NLO QCD预言一致。
• W⁺+D⁻的截面为48.5 ± 0.2（统计）⁺².³₋².² pb，与理论预期良好一致。
• 粲夸克与反粲夸克产生比测得为R±c = 0.971 ± 0.006（统计）± 0.011（系统），表明s–s̄不对称性较小。
• 结果与假设s–s̄海夸克分布对称的PDF集合一致，表明在相关Bjorken-x区域的任何不对称性都很小。
• 以高精度提取了作为轻子伪快度和D(∗)横向动量函数的微分截面，并用于验证。
• 提供了联合统计与系统不确定性的协方差矩阵，供未来PDF全局拟合使用。