[论文解读] Top quark production at ATLAS and CMS

L. Lista|arXiv (Cornell University)|May 20, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 3

一句话总结

本文综述了大型强子对撞机（LHC）上ATLAS与CMS实验在√s = 7和8 TeV能量下对顶夸克产生过程的测量结果，重点聚焦于单顶夸克及顶-反顶对的产生。通过采用先进的多变量分析技术与数据驱动的背景建模方法，实验实现了高精度的截面测量，结果与下一阶微扰量子色动力学（NLO QCD）理论预测高度一致，并对|Vtb|和异常耦合施加了严格约束，推动了标准模型的精密检验。

ABSTRACT

A review of the main recent results on top quark production from the ATLAS and CMS experiments is presented. Results on both electroweak single top quark production and strong top pair production are presented.

研究动机与目标

• 呈现ATLAS与CMS在LHC上关于顶夸克产生的最新实验结果。
• 在多种末态中对单顶夸克和顶-反顶对产生截面进行高精度测量。
• 通过单顶夸克产生过程测定CKM矩阵元|Vtb|并搜索异常耦合，以检验标准模型。
• 对稀有顶夸克衰变和味改变中性流过程设置限制，探测标准模型之外的新物理。
• 通过微分分布对比验证蒙特卡罗生成器，深化对顶夸克产生中QCD动力学的理解。

提出的方法

• 采用多变量分析技术，包括神经网络和提升决策树（BDT），以分离单顶夸克信号与主要背景。
• 应用数据驱动方法对多喷射背景进行建模，特别是在单顶夸克分析中利用横向动量缺失分布。
• 在定义的运动学接受区域中进行截面的几何截面测量，并利用蒙特卡罗生成器估算将结果外推至总截面。
• 利用数据中内建的b夸克判别效率测定方法，以减少t¯t截面测量中的系统不确定性。
• 采用专门设计的BDT识别复杂末态（如t¯tt¯t和t¯tγ）中的顶夸克衰变，以增强信号灵敏度。
• 通过观测数据分布的轮廓似然拟合，在95%置信水平下对稀有过程（如s通道单顶夸克、t¯tt¯t）设置上限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在√s = 8 TeV下，单顶夸克和顶-反顶对产生截面的最精确测量结果是什么？
• RQ2 下一阶微扰QCD理论预测与多种蒙特卡罗生成器在描述顶夸克产生中观测到的微分分布方面表现如何？
• RQ3 CKM矩阵元|Vtb|的测量值是多少？该结果对tWb顶点处的新物理有何约束？
• RQ4 顶夸克味改变中性流衰变（如t → gu, gc, Z u, Z c）的限制是什么？
• RQ5 与额外喷射、矢量玻色子或光子联合产生的t¯t过程的截面比值和上限是多少？

主要发现

• ATLAS测得t通道单顶夸克的几何截面为σ_fid. = 3.37 ± 0.05（统计）± 0.47（系统）± 0.09（亮度）pb，与NLO理论及多个MC生成器结果一致。
• ATLAS测得t通道的总截面为σ_t-ch. = 82.6 ± 1.2（统计）± 11.4（系统）± 3.1（PDF）± 2.3（亮度）pb，与NLO预测一致。
• CMS测得t通道截面为σ_t-ch. = 83.6 ± 2.3（统计）± 7.4（系统）pb，顶夸克与反顶夸克产生截面之比为σ_t/σ_t̄ = 1.95 ± 0.10（统计）± 0.19（系统）。
• CMS首次观测到tW产生，测得σ_tW = 24.5+5.5−5.4 pb（8 TeV），显著性达6.1σ（预期5.4σ）。
• ATLAS在95%置信水平下对s通道单顶夸克产生设置上限σ_s-ch. < 11.5 pb，相当于标准模型预测的2.1倍。
• CMS在7和8 TeV下联合确定|Vtb|，精度达4.1%，结果σ_t-ch. = 0.998 ± 0.038（实验）± 0.016（理论）表明与标准模型一致。