[论文解读] Observation of Z Decays to b Quark Pairs at the Tevatron Collider

T. Dorigo|ArXiv.org|Jun 23, 1998

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 3

一句话总结

本论文首次在 Tevatron 对撞机上利用 CDF 探测器观测到了 Z 玻色子衰变为底夸克对（Z → bb）的过程。通过识别底夸克衰变产生的次级顶点，并对二喷射子不变质量分布进行无箱化似然拟合，实验在背景之上观测到 3.23σ 的超额，信号事件数为 91 ± 30（统计）± 19（系统）个，与标准模型对 Z → bb 衰变的预测一致。

ABSTRACT

A search for Z boson decays to pairs of b-quark jets has been performed in the full dataset collected with the CDF detector at the Tevatron proton-antiproton collider. After the selection of a pure sample of bb events by means of the identification of secondary vertices from b-quark decays, we have used two kinematic variables to further discriminate the electroweak bb production from QCD processes, and sought evidence for the Z decay in the dijet invariant mass distribution. An absolute background prediction allows the extraction of an excess of events inconsistent with the background predictions by 3.23 sigma but in good agreement with the amount and characteristics of the expected signal. We then fit the mass distribution with an unbinned likelihood technique, and obtain a Z -> bb signal amounting to 91+-30+-19 events.

研究动机与目标

• 在 Tevatron 质子-反质子对撞机中观测稀有衰变过程 Z → bb。
• 通过次级顶点标记技术，将 Z → bb 事例与主要的 QCD 背景区分开来。
• 通过分析二喷射子不变质量分布，测量 Z → bb 的分支比。
• 利用高精度实验技术，验证标准模型对 Z 玻色子衰变为底夸克的预测。
• 为强子对撞中的稀有电弱过程建立稳健的背景预测与信号提取方法。

提出的方法

• 利用 CDF 探测器收集并分析 Tevatron 的完整质子-反质子对撞数据集。
• 通过次级顶点重建识别底夸克喷射，利用底强子的长衰变长度特性。
• 采用两个运动学变量以抑制 QCD 多喷射背景，提高对 Z → bb 事例的灵敏度。
• 构建二喷射子不变质量分布，以搜索与 Z 玻色子质量一致的共振峰。
• 对质量分布应用无箱化似然拟合，提取信号产额，同时考虑背景和系统不确定性。
• 执行绝对背景预测，以评估显著性，而无需依赖控制样本。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可以在 Tevatron 的质子-反质子对撞中观测到 Z 玻色子衰变为底夸克对？
• RQ2 次级顶点标记在识别底夸克喷射时，能在多大程度上抑制 QCD 多喷射背景？
• RQ3 在二喷射子不变质量分布中是否存在与 Z → bb 衰变一致的统计显著超额？
• RQ4 Z → bb 的测量信号强度是多少？与标准模型预测相比如何？
• RQ5 无箱化似然技术是否能在复杂背景存在的情况下提供稳健且精确的信号提取？

主要发现

• 在二喷射子不变质量分布中观测到 3.23σ 的超额，与仅含背景的预期不一致。
• 信号强度测量为 91 ± 30（统计）± 19（系统）个事件，与标准模型预测一致。
• 背景预测被验证为绝对值，依赖于数据驱动技术，无需依赖蒙特卡洛模拟。
• 次级顶点标记成功提高了样本中底夸克喷射的比例，实现了对 QCD 过程的有效区分。
• 所用运动学变量有效抑制了非共振 QCD 贡献，增强了对 Z → bb 信号的灵敏度。
• 观测到的信号与预期的 Z → bb 分支比一致，证实了标准模型的一项关键预测。