[论文解读] Tools for estimating fake/non-prompt lepton backgrounds with the ATLAS detector at the LHC

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle Detector Development and Performance被引用 10

一句话总结

本论文提出了三种数据驱动的方法——渐近矩阵法、泊松似然矩阵法和假因子法——用于估计大型强子对撞机（LHC）ATLAS实验中假/非本征轻子背景。这些方法利用基准选择与严格选择的轻子标准，估算被误识别为本征轻子的轻子贡献，其性能已在顶夸克和新物理搜索中得到验证，证明在多轻子末态中具有可靠的背景估计能力。

ABSTRACT

Measurements and searches performed with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider often involve signatures with one or more prompt leptons. Such analyses are subject to `fake/non-prompt' lepton backgrounds, where either a hadron or a lepton from a hadron decay or an electron from a photon conversion satisfies the prompt-lepton selection criteria. These backgrounds often arise within a hadronic jet because of particle decays in the showering process, particle misidentification or particle interactions with the detector material. As it is challenging to model these processes with high accuracy in simulation, their estimation typically uses data-driven methods. Three methods for carrying out this estimation are described, along with their implementation in ATLAS and their performance.

研究动机与目标

• 为解决由于复杂探测器效应和非微扰物理导致蒙特卡洛模拟在建模假/非本征轻子背景时准确性不足的挑战。
• 开发标准化、可复现的数据驱动工具，以实现在ATLAS物理分析中对这些背景进行一致的估计。
• 减少对模拟的依赖以估计假/非本征轻子背景，因为模拟在粒子误识别和探测器材料相互作用方面存在不准确性。
• 在盲分析阶段实现可靠的背景估计，同时保持对统计和系统不确定性的控制。
• 在真实ATLAS物理分析中验证这些方法的性能，包括微分截面测量和模型无关的搜索。

提出的方法

• 这些方法依赖于定义两个轻子选择层级：'严格'（信号标准）和'基准'（宽松标准，包含具有更高假/非本征率的额外候选）。
• 渐近矩阵法通过真实与假效率计算事件级假权重，利用加权和估算假事件数量。
• 泊松似然矩阵法使用似然函数估算假事例产额，在高假效率区域具有更低的不确定度，且避免负估计值。
• 假因子法将基于模拟的假率应用于所有轻子均为严格选择的事件，使其可在盲分析阶段使用。
• 所有方法均使用控制样本中测量的效率值，外推至信号区域，同时对轻子动量和喷注活动的差异进行修正。
• 系统不确定度来源于统计涨落、效率测量偏差，以及真实轻子过程建模不当。

实验结果

研究问题

• RQ1 当模拟无法准确建模假/非本征轻子背景时，如何在ATLAS分析中可靠地估算这些背景？
• RQ2 渐近矩阵法、泊松似然矩阵法和假因子法在估算假/非本征轻子贡献方面的相对优势与劣势是什么？
• RQ3 在高假效率区域，这些方法的表现如何，而传统方法在此区域会失效？
• RQ4 在不损害统计完整性的前提下，这些方法在盲分析中可应用到何种程度？
• RQ5 效率外推和探测器效应带来的系统不确定度对最终背景估计的影响有多大？

主要发现

• 在高假效率区域，泊松似然矩阵法的不确定度低于渐近矩阵法，且避免了负产额估计。
• 假因子法可在盲分析阶段实现背景估计，但引入了额外的模拟相关不确定度。
• 这些方法已成功应用于微分t¯tZ截面测量和模型无关的多轻子搜索中，验证区域显示数据与预测之间具有良好一致性。
• 系统不确定度主要来自将基准效率外推至信号区域，尤其是由于轻子组成和动量分布的差异。
• 渐近矩阵法在某些情况下产生负估计值，这是由于负权重所致，凸显其对效率涨落的敏感性。
• 所有方法在控制区域验证中表现一致，证实其在高优先级ATLAS物理分析中的可靠性。