[论文解读] Measurements of inclusive and differential cross sections for top quark production in association with a Z boson in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

Hayrapetyan, Aram, Aram Hayrapetyan+2398 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文首次利用138 fb⁻¹的CMS数据，在√s = 13 TeV的质子-质子碰撞中，对顶夸克与Z玻色子联合产生（ttZ + tWZ 和 tZq）的总截面和微分截面进行了同步测量。通过使用多类别深度神经网络将事例分类为ttZ+tWZ、tZq和背景三类，并采用轮廓似然拟合方法提取截面，同时考虑系统不确定性及其相关性，测得的总截面分别为1.14 ± 0.07 pb（ttZ + tWZ）和0.81 ± 0.10 pb（tZq），与标准模型预测高度一致。

ABSTRACT

Measurements are presented of inclusive and differential cross sections for Z boson associated production of top quark pairs ($\mathrm{t\bar{t}}$Z) and single top quarks (tZq or tWZ). The data were recorded in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Events with three or more leptons, electrons or muons, are selected and a multiclass deep neural network is used to separate three event categories, the $\mathrm{t\bar{t}}$Z and tWZ processes, the tZq process, and the backgrounds. A profile likelihood approach is used to unfold the differential cross sections, to account for systematic uncertainties, and to determine the correlations between the two signal categories in one global fit. The inclusive cross sections for a dilepton invariant mass between 70 and 110 GeV are measured to be 1.14 $\pm$ 0.07 pb for the sum of $\mathrm{t\bar{t}}$Z and tWZ, and 0.81 $\pm$ 0.10 pb for tZq, in good agreement with theoretical predictions.

研究动机与目标

• 测量在√s = 13 TeV质子-质子碰撞中顶夸克与Z玻色子联合产生的总截面和微分截面。
• 同步提取ttZ + tWZ与tZq过程的截面，实现其相关性的直接测量。
• 通过在全局拟合中整合多个顶-夸克-Z产生通道的数据，提升新物理的探测灵敏度。
• 利用高精度数据验证微扰量子色动力学和蒙特卡罗生成器中的理论预测。
• 通过先进的多类别分类方法，显著降低非本征轻子和WZ产生带来的背景污染。

提出的方法

• 事例选择标准为三个或更多孤立轻子（电子或μ子），其中两个构成Z玻色子候选。
• 多类别深度神经网络（DNN）为三种类别（ttZ + tWZ 信号、tZq 信号、背景）分配似然得分。
• DNN经过训练，能够有效区分信号过程与主要背景，包括非本征轻子和WZ产生。
• 采用轮廓似然拟合方法提取总截面和微分截面，同时对系统不确定性相关的 nuisance 参数进行联合约束。
• 通过轮廓似然方法对微分分布进行去卷积处理，以校正探测器效应和能量分辨率。
• 通过全局拟合直接确定两种信号过程之间的相关性，从而在有效场论分析中实现更严格的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 13 TeV下，顶夸克对与单顶夸克与Z玻色子联合产生的总截面和微分截面是多少？
• RQ2 ttZ + tWZ与tZq过程的测量截面与标准模型预测相比如何？
• RQ3 ttZ + tWZ与tZq信号过程之间的相关性如何？该相关性在全局拟合中如何被利用？
• RQ4 非本征轻子和WZ产生在该末态中的背景贡献程度如何？
• RQ5 多类别深度神经网络能否有效分离具有高纯度的重叠顶-Z产生通道？

主要发现

• ttZ + tWZ产生的总截面测量值为1.14 ± 0.07 pb，与标准模型预测一致。
• tZq产生的总截面测量值为0.81 ± 0.10 pb，与理论预期高度一致。
• 测量得到的截面与下一阶微扰量子色动力学预测相符良好。
• ttZ + tWZ与tZq信号类别的相关性通过全局拟合直接确定，为未来有效场论分析提供了更高的灵敏度。
• 多类别DNN有效实现了信号与背景类别的分离，显著降低了非本征轻子和WZ事例的污染。
• 微分截面通过轮廓似然方法进行去卷积处理，能够高精度地校正探测器效应和系统不确定性。