[论文解读] Study of ttbb and ttW background modelling for ttH analyses

L. Ferencz, K. Grevtsov+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文使用ATLAS和CMS的实验数据，对比了$t\bar{t}b\bar{b}$和$t\bar{t}W$背景在$t\bar{t}H$分析中的蒙特卡洛模拟，评估了生成器设置、尺度不确定度以及部分子喷射匹配的差异。主要成果是确立了一个统一的参考$t\bar{t}W$截面值$722^{+70}_{-78}$ fb，以实现ATLAS与CMS实验结果的直接比较。

ABSTRACT

This note presents Monte Carlo generator comparisons of the ttbb and ttW processes at particle level. The aim is to compare the modelling of important backgrounds to ttH measurements in multi-lepton final states and in the ttH(H->bb) decay channel and the treatment of the associated theory uncertainties for a combination of the full Run-2 ttH results from ATLAS and CMS. As a first step, modelling and theory uncertainties as used in ATLAS an CMS are compared in the relevant analysis regions. Significant differences in the treatment of systematic uncertainties between the experiments have been observed in ttbb and ttW. As a first step, ATLAS and CMS agreed on a common reference value of the inclusive ttW cross section to allow direct comparisons between experiments.

研究动机与目标

• 比较ATLAS与CMS在Run-2数据中对$t\bar{t}H$测量的$t\bar{t}b\bar{b}$与$t\bar{t}W$背景建模的差异。
• 识别并量化理论不确定度处理中的差异，特别是尺度和部分子喷射效应的影响。
• 确立一个统一的参考$t\bar{t}W$截面，以实现ATLAS与CMS结果的直接比较及未来联合分析。
• 评估不同蒙特卡洛生成器、合并方案（如FxFx）以及电弱修正对微分分布的影响。
• 为跨实验的联合$t\bar{t}H$测量中理论不确定度估计提供统一策略。

提出的方法

• 使用Rivet分析工具包，对比与$t\bar{t}H$分析相关的相空间中稳定粒子的微分分布。
• 评估了多种蒙特卡洛生成器：MG5_aMC@NLO + Pythia8（含FxFx与不含FxFx）、Sherpa 2.2.10，以及$t\bar{t}b\bar{b}$和$t\bar{t}W$的Powheg-Box-Res。
• 比较了在不同截取区域内的总截面与归一化微分分布，重点关注$H_{\text{T}}$、喷射粒子数以及轻子/喷射粒子动量分布。
• 通过将重整化与因子化尺度在中心值的±50%范围内变动，评估尺度不确定度。
• 评估了包含树级电弱修正的影响，以及部分子喷射调谐和合并尺度差异的影响。
• 以参考文献[50]中的$t\bar{t}W$截面作为基准值，对不同实验的预测结果进行归一化与对比。

Figure 1: Examples of tree-level Feynman diagrams for $t\bar{t}b\bar{b}$ (left) and $t\bar{t}W$ (right).

实验结果

研究问题

• RQ1 ATLAS与CMS在生成器选择与不确定度处理方面，对$t\bar{t}b\bar{b}$与$t\bar{t}W$背景的建模有何不同？
• RQ2 MG5_aMC@NLO+Pythia8、Sherpa与Powheg-Box-Res生成的$t\bar{t}W$预测之间，导致形状与归一化差异的关键因素是什么？
• RQ3 FxFx合并方案、部分子喷射调谐及合并尺度的选择在多大程度上影响了喷射粒子数与$H_{\text{T}}$分布？
• RQ4 树级电弱修正对$t\bar{t}W$微分分布的影响有多大？
• RQ5 能否确立一个统一的参考$t\bar{t}W$截面，以实现ATLAS与CMS $t\bar{t}H$结果的一致性比较与联合分析？

主要发现

• 在MG5_aMC@NLO+Pythia8（FxFx）与Sherpa 2.2.10之间，$t\bar{t}W$截面预测存在显著差异，尤其在喷射粒子数与$H_{\text{T}}$分布中表现明显。
• 总截面的$t\bar{t}W$截面被一致确定为$722^{+70}_{-78}$ fb（尺度不确定度）±7 fb（PDF不确定度），作为跨实验比较的统一参考值。
• 在大多数区域，归一化分布的尺度不确定度低于10%，但当引入接受度效应时，其影响变得显著。
• 树级电弱修正在高喷射粒子数区域可导致截面差异达20%，但形状变化通常较小。
• MG5_aMC@NLO+Pythia8中采用的FxFx合并方案在低$H_{\text{T}}$区域产生显著影响，且ATLAS与CMS的预测结果存在明显差异。
• 尽管具有相似的微扰计算精度，但合并尺度或Pythia8调谐的差异可能解释了喷射活动水平的差异，提示需进一步深入研究。

Figure 2: Comparison of PP8 predictions for $t\bar{t}b\bar{b}$ and $t\bar{t}$ with the described settings using the observables defined in Table 4 in the fiducial analysis phase space. All predictions are normalised to one. The error bands are constructed from the statistical uncertainties and the s