[论文解读] Measurement of the $ t\overline{t} $ production cross-section in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 5.02 TeV with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 7

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在2017年采集的257 pb⁻¹数据，测量了√s = 5.02 TeV质子-质子碰撞中顶夸克对（tt̄）产生截面。综合结果σtt̄ = 67.5 ± 0.9（统计）± 2.3（系统）± 1.1（亮度）± 0.2（束流）pb与NNLO+NNLL QCD预言高度一致，并对大Bjorken-x区域的质子部分子分布函数提供了约束。

ABSTRACT

The inclusive top-quark pair ($t\bar{t}$) production cross-section $σ_{t\bar{t}}$ is measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy $\sqrt{s}=5.02$ TeV, using 257 pb$^{-1}$ of data collected in 2017 by the ATLAS experiment at the LHC. The $t\bar{t}$ cross-section is measured in both the dilepton and single-lepton final states of the $t\bar{t}$ system and then combined. The combination of the two measurements yields $σ_{t\bar{t}} = 67.5 \pm 0.9 ext{(stat.)} \pm 2.3 ext{(syst.)} \pm 1.1 ext{(lumi.)} \pm 0.2 ext{(beam)}$ pb, where the four uncertainties reflect the limited size of the data sample, experimental and theoretical systematic effects, and imperfect knowledge of both the integrated luminosity and the LHC beam energy, giving a total uncertainty of 3.9%. The result is in agreement with theoretical quantum chromodynamic calculations at next-to-next-to-leading order in the strong coupling constant, including the resummation of next-to-next-to-leading logarithmic soft-gluon terms, and constrains the parton distribution functions of the proton at large Bjorken-$x$.

研究动机与目标

• 测量√s = 5.02 TeV质子-质子碰撞中顶夸克对的总截面。
• 利用LHC 5.02 TeV运行期间的数据，改进对大Bjorken-x区域质子部分子分布函数（PDFs）的约束。
• 验证量子色动力学（QCD）在中等能量尺度下的理论预言。
• 将 dilepton 和单轻子末态的测量结果结合，考虑相关系统性不确定度。

提出的方法

• 本分析使用了ATLAS探测器在2017年以√s = 5.02 TeV收集的257 pb⁻¹质子-质子碰撞数据。
• 双轻子通道通过识别两个电荷相反的轻子、缺失横向动量以及b-夸克喷注标记来选择事例。
• 单轻子通道选择包含一个带电轻子、缺失横向动量以及至少两个b-夸克标记喷注的事例。
• 在两个通道中均应用多变量技术以增强信号与背景的分离。
• 评估了探测器效应、模型、PDF以及束流能量/亮度相关的系统性不确定度。
• 将双轻子与单轻子测量结果结合，考虑相关不确定度，得出单一截面值。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用ATLAS探测器在√s = 5.02 TeV下测得的tt̄产生截面是多少？
• RQ2 该测量结果与该能量下NNLO+NNLL QCD预言的对比如何？
• RQ3 该测量在多大程度上约束了大Bjorken-x区域的胶子部分子分布函数？
• RQ4 相关系统性不确定度如何影响最终的综合截面？
• RQ5 该测量对全局PDF拟合有何影响？

主要发现

• 综合测得的tt̄产生截面为σtt̄ = 67.5 ± 0.9（统计）± 2.3（系统）± 1.1（亮度）± 0.2（束流）pb。
• 该测量的总不确定度为3.9%，主要由系统性和统计分量主导。
• 结果与NNLO+NNLL QCD预言值68.2 ± 4.8+1.9−2.3 pb高度一致。
• 该测量对大Bjorken-x区域的胶子部分子分布函数提供了约束，改善了PDF拟合。
• 该截面与同一能量下CMS测量的63.0 ± 5.1 pb一致。
• 顶夸克质量变化±1 GeV时，截面变化为±3.2%至+3.3%。