[论文解读] Measurement of the total and differential cross-sections of $ t\overline{t}W $ production in pp collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV with the ATLAS detector

Aad, Georges, Abbott, Braden Keim+2929 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 111被引用 2

一句话总结

该论文首次测量了在 $ olimits\sqrt{s} = 13$ TeV 的质子-质子碰撞中，顶夸克对与 W 玻色子的总截面和微分截面（$t\bar{t}W$）的产生，使用了 ATLAS 探测器收集的 140 fb$^{-1}$ 数据。总截面测量结果为 $880 \pm 80$ fb，与 NNLO 理论预测值 $745 \pm 50$ fb 良好一致，微分分布与多种理论模型对比，显示在包括电荷不对称性在内的多个可观测量上行为一致。

ABSTRACT

Measurements of inclusive and differential production cross-sections of a top-quark-top-antiquark pair in association with a $W$ boson ($t\bar{t}W$) are presented. They are performed by targeting final states with two same-sign or three isolated leptons (electrons or muons) and are based on $\sqrt{s}=13$ TeV proton-proton collision data with an integrated luminosity of 140 fb$^{-1}$, recorded from 2015 to 2018 with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The inclusive $t\bar{t}W$ production cross-section is measured to be $880 \pm 80$ fb, compared to a reference theoretical prediction of $745 \pm 50\, extrm{(scale)} \pm 13\, extrm{(2-loop approx.)} \pm 19\, extrm{(PDF,} α_{ extrm{S}})$ fb. Differential cross-section measurements characterise this process in detail for the first time. Several particle-level observables are compared with a variety of theoretical predictions, which generally agree well with the normalised differential cross-section results. Additionally, the relative charge asymmetry of $t\bar{t}W^{+}$ and $t\bar{t}W^{-}$ is measured inclusively to be ${A_{\mathrm{C}}^{\mathrm{rel}}} = 0.33 \pm 0.05$, in very good agreement with the theoretical prediction of $0.322 \pm 0.003\,\mathrm{(scale)} \pm 0.007\,\mathrm{(PDF)}$, as well as differentially.

研究动机与目标

• 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 的 $pp$ 碰撞中，精确测量 $t\bar{t}W$ 的总截面与微分截面，以高精度检验标准模型。
• 评估实验数据与先进理论预测（包括 NNLO QCD 和 NLO 电弱修正）的兼容性。
• 测量 $t\bar{t}W^+$ 与 $t\bar{t}W^-$ 最终态的相对电荷不对称性，以探测 CP 奇效应与新物理。
• 减少 $t\bar{t}W$ 建模中的不确定性，该过程是稀有顶物理与希格斯物理搜索中的关键背景。
• 首次在 LHC 上提供 $t\bar{t}W$ 产生的微分截面测量，实现与理论模型的详细比较。

提出的方法

• 分析使用了 2015 至 2018 年间 ATLAS 探测器收集的 140 fb$^{-1}$ 的 $pp$ 碰撞数据，能量为 $\sqrt{s} = 13$ TeV。
• 目标为包含两个同号或三个孤立轻子（电子或μ子）的末态，以识别 $t\bar{t}W$ 事例。
• 采用先进的多变量分析与运动学技术，对顶夸克、W 玻色子和喷注进行重建与选择。
• 通过在控制区域与信号区域中对信号与背景贡献进行联合拟合，提取总截面。
• 以归一化形式测量微分截面，作为顶夸克横动量和 $t\bar{t}W$ 不变量质量等运动学可观测量的函数。
• 通过事件级重建与选择，从 $t\bar{t}W^+$ 与 $t\bar{t}W^-$ 事例产额之比中提取相对电荷不对称性 $A^\text{rel}_C$。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下，$t\bar{t}W$ 的总产生截面是多少？与 NNLO 理论预测相比如何？
• RQ2 理论模型在多类运动学可观测量上对 $t\bar{t}W$ 产生微分分布的描述能力如何？
• RQ3 测得的相对电荷不对称性 $A^\text{rel}_C$ 是多少？与标准模型预期相比如何？
• RQ4 不同蒙特卡罗生成器在多大程度上能再现数据中的归一化微分截面？
• RQ5 QCD 与电弱修正如何影响 $t\bar{t}W$ 产生机制？其建模是否一致？

主要发现

• 总截面测量值为 $880 \pm 80$ fb，与 NNLO 理论预测值 $745 \pm 50$ fb 一致。
• 测得的相对电荷不对称性 $A^\text{rel}_C$ 为 $0.33 \pm 0.05$，与标准模型预测值 $0.322 \pm 0.003$（尺度）$\pm 0.007$（PDF）高度一致。
• 对多个可观测量（包括顶夸克横动量和 $t\bar{t}W$ 不变量质量）测量了归一化微分截面，与理论预测良好一致。
• 通过 $\chi^2$ $p$-值超过 0.3 的结果，证实了数据与 Sherpa 预测的兼容性，表明模型与数据一致性良好。
• NLO 电弱修正对 $\sigma(t\bar{t}W)$ 预测贡献了 +4.9% 的修正，额外贡献来自 $tW$-散射与真实发射图。
• 本研究首次实现了 $t\bar{t}W$ 产生的微分测量，显著提升了该关键背景建模的精度，对稀有物理搜索具有重要意义。