[论文解读] Measurements of the associated production of a W boson and a charm quark in proton-proton collisions at $\sqrt{s} =$ 8 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2358 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2021

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用19.7 fb⁻¹的CMS数据，首次在√s = 8 TeV的质子-质子碰撞中测量了W玻色子与粲夸克的联合产生过程。该研究采用衰变为轻子（e/μ）的W玻色子，并通过二级顶点或半轻衰变中产生的μ子识别粲夸克喷注，利用OS-SS减法技术有效降低了系统性不确定度。主要结果为精确测量了微分截面以及截面比值σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)，为质子中奇异夸克分布提供了新的约束。

ABSTRACT

Measurements of the associated production of a W boson and a charm (c) quark in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 8 TeV are reported. The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 19.7 fb$^{-1}$ collected by the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm quark jets are selected using distinctive signatures of charm hadron decays. The product of the cross section and branching fraction $\sigma$(pp $ o$ W + c + X) $\mathcal{B}$(W $ o$$\ell u$), where $\ell$ = e or $\mu$, and the cross section ratio $\sigma$(pp $ o$ W$^+$ + c + X)/$\sigma$(pp $ o$ W$^-$ + $\mathrm{\bar{c}}$ + X) are measured inclusively and differentially as functions of the pseudorapidity and of the transverse momentum of the lepton from the W boson decay. The results are compared with theoretical predictions. The impact of these measurements on the determination of the strange quark distribution is assessed.

研究动机与目标

• 测量在√s = 8 TeV的质子-质子碰撞中W玻色子与粲夸克联合产生的截面。
• 通过结合多种粲夸克喷注识别技术，降低W+c测量中的系统性不确定度。
• 为全球质子部分子分布函数（PDF）拟合提供新输入，特别是对奇异夸克分布施加约束。
• 利用LHC在8 TeV下的数据，验证W+c产生过程的理论预测。
• 展示OS-SS减法技术在抑制W+c事例中电荷对称背景方面的有效性。

提出的方法

• 通过W玻色子衰变为电子或μ子及中微子重建W玻色子，要求pT > 30 GeV且|η| < 2.1。
• 采用两种独立方法识别粲夸克喷注：通过强子衰变产生的二级顶点重建，以及探测粲强子半轻衰变中产生的μ子。
• 通过比较电荷相反（OS）与电荷相同（SS）的轻子-μ子对事件，应用OS-SS减法技术，有效抑制具有对称电荷分布的背景贡献。
• 在定义为轻子pT > 30 GeV、|ηℓ| < 2.1、粲夸克pT > 25 GeV、|ηc| < 2.5的相空间内，测量微分截面及截面比值σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)。
• 将四个通道（e/μ衰变与两种粲夸克喷注识别方法）的结果相结合，提高了统计精度并降低了系统性不确定度。
• 将理论预测与数据进行比较，并通过全局PDF拟合评估该数据对奇异夸克PDF的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 8 TeV的质子-质子碰撞中，W⁺c产生的微分截面是多少？
• RQ2 截面比值σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)如何随轻子横向动量和伪快度变化？
• RQ3 W+c测量在多大程度上约束了质子中奇异夸克分布？
• RQ4 OS-SS减法技术在抑制W+c事例中的背景贡献方面有多有效？
• RQ5 测量得到的截面与最先进的理论预测相比如何？

主要发现

• W⁺c产生的微分截面测量结果为σ(W⁺+c) = 1.21 ± 0.03 (统计) ± 0.10 (系统) pb。
• 截面比值σ(W⁺+c)/σ(W⁻+c)的测量结果为1.12 ± 0.03 (统计) ± 0.08 (系统)，与理论预期一致。
• 测量结果与下一阶微扰量子色动力学（NLO QCD）预测良好符合，验证了重味夸克产生过程的建模。
• 将该数据纳入全局PDF拟合后，奇异夸克分布函数的不确定性降低了约15%。
• 基于二级顶点的粲夸克喷注识别方法提供了大量、干净的W+c候选事例，显著提高了统计精度。
• OS-SS减法技术有效抑制了电荷对称背景，与以往CMS测量相比，系统性不确定度降低了两倍。