Inclusive top cross sections in ATLAS

ملخص تقني: المقاطع العرضية الشاملة للقمة في تجربة ATLAS

المشكلة والنطاق
يقدم هذا التقرير مجموعة شاملة من قياسات المقطع العرضي الشامل لإنتاج الكوارك القمة (top quark) التي أجراها تعاون ATLAS في مصادم الهادونات الكبير (LHC). تعالج هذه الدراسة الحاجة إلى اختبارات دقيقة للنموذج القياسي (SM) من خلال قياس خصائص الكوارك القمة بدقة "ما بعد-النيكس-إلى-النيكس" (NNLO) في الديناميكا اللونية الكمومية (QCD). يغطي التحليل نمطي إنتاج مهيمنين: إنتاج زوج الكوارك القمة ومضادته ($t\bar{t}$) عبر التفاعل القوي، وإنتاج الكوارك القمة المنفرد عبر التفاعل الكهروضعيف. تغطي القياسات طاقات متعددة لمركز الكتلة ($\sqrt{s} = 5.02, 8.16, 13, 13.6$ تيرالكتر فولت) وأنظمة تصادم مختلفة ($pp$و$p$+Pb). وبالإضافة إلى المقاطع العرضية الاسمية، يبحث التقرير في ملاحظات محددة تشمل عنصر$|V_{tb}|$في مصفوفة كابيبو-كوباياوشي-ماسكاوا (CKM)، ونسب المقاطع العرضية ($tq$مقابل$\bar{t}q$، و$t\bar{t}$مقابل$Z \to \ell\ell$)، وعامل التعديل النووي في تصادمات الأيونات الثقيلة.

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات من تشغيل ATLAS المرحلة الثانية (13 تيرالكتر فولت، 140 فمتوبال، 5.02 تيرالكتر فولت، 255 فيمتوبال) والمرحلة الثالثة (13.6 تيرالكتر فولت، 29 فيمتوبال)، بالإضافة إلى بيانات تصادم بروتون-رصاص ($p$+Pb) عند طاقة $\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ تيرالكتر فولت (165 فيمتوبال).

• الإنتاج المنفرد للقمة (قناة $tW$, 13 تيرالكتر فولت): يتم اختيارها في القناة ثنائية الليبتونات ($e^\pm\mu^\mp$) مع وجود نفاثة واحدة على الأقل موسومة بـ $b$ (b-tagged). تُصنف الأحداث إلى ثلاث مناطق إشارة متعامدة بناءً على تعدد النفاثات ($1j1b, 2j1b, 2j2b$). يُستخدم "شجر القرار المعزز" (BDT) للتمييز بين الإشارة وخلفية $t\bar{t}$ المهيمنة. ويُطبق ملاءمة احتمالية الملف التعريفي (profile likelihood fit) على توزيع استجابة الـ BDT ضمن نطاق مقيد للتخفيف من عدم اليقين الناتج عن الازدواج في العد بين عينات الكوارك القمة المنفرد و$t\bar{t}$.
• الإنتاج المنفرد للقمة (قناة $t$-channel, 13 تيرالكتر فولت): يتم اختيارها في قناة "ليبتون + نفاثات" مع وجود ليبتون واحد بالضبط، ونفاثتين (واحدة موسومة بـ $b$)، وقيود على الزخم المستعرض المفقود ($E_T^{miss}$) والكتلة المستعرضة لـ $W$ ($m_T(W)$). تُعرف مناطق الإشارة حسب شحنة الليبتون ($\ell^+$ و $\ell^-$). وتعمل شبكة عصبية ($D_{nn}$) تجمع بين الملاحظات الكينماتيكية لفصل الإشارة عن الخلفية. ويستخرج ملاءمة احتمالية الملف التعريفي المقاطع العرضية لـ $tq$و$\bar{t}q$ بشكل منفصل.
• الإنتاج المنفرد للقمة (قناة $t$-channel, 5.02 تيرالكتر فولت): تستخدم بيئة ذات "تراكم أحداث" (pileup) منخفض ($\langle \mu \rangle \approx 2$) لتوفير اختبار مستقل للنموذج القياسي. تعكس معايير الاختيار تحليل الـ 13 تيرالكتر فولت. ويتم تقدير أوجه عدم اليقين باستخدام عينة الـ 5.02 تيرالكتر فولت أو استخلاصها من بيانات الـ 13 تيرالتر فولت.
• إنتاج زوج الكوارك القمة ومضادته ($t\bar{t}$, 13.6 تيرالكتر فولت): يقيس المقاطع العرضية الشاملة لـ $t\bar{t}$ و $Z \to \ell\ell$ ونسبتهما ($R_{t\bar{t}/Z}$). يتطلب الاختيار ليبتونين بمتضادي الشحنة ونفاثة واحدة أو اثنتين من نوع $b$ لـ $t\bar{t}$، وزوج ليبتونات من نفس النوع مع كتلة ثابتة تتراوح بين $66 < m_{\ell\ell} < 116$ جيجا إلكترون فولت لـ $Z$. ويُطبق ملاءمة احتمالية الملف التعريفي على عوائد الأحداث عبر أربع مناطق إشارة.
• إنتاج زوج الكوارك القمة ومضادته ($p$+Pb, 8.16 تيرالكتر فولت): يحدد مناطق إشارة ثنائية الليبتونات وشبه الليبتونات. تتطلب أحداث ثنائية الليبتونات اثنين من الليبتونات بمتضادي الشحنة ونفاثتين على الأقل (واحدة موسومة بـ $b$)، مع استبعاد نافذة كتلة بوزون $Z$. تتطلب الأحداث شبه الليبتونية ليبتون واحد وأربع نفاثات على الأقل. ويتم استخراج عوائد الإشارة عبر ملاءمة احتمالية الملف التعريفي للمجموع القياسي للزخم المستعرض ($H_T^{\ell,j}$).

تُعامل أوجه عدم اليقين النظامية كمعلمات عوائق (nuisance parameters) في عمليات الملاءمة. وتختلف أوجه عدم اليقين المهيمنة حسب القناة، بما في ذلك نمذجة $t\bar{t}$، ومقياس طاقة النفاثة (JES)، وإعادة بناء $E_T^{miss}$، واللمعان (luminosity).

النتائج الرئيسية
تتم مقارنة جميع المقاطع العرضية المقاسة بالتنبؤات للنموذج القياسي المحسوبة عند مستوى (N)NLO في الديناميكا اللونية الكمومية.

• إنتاج $tW$ (13 تيرالكتر فولت): تم قياس $\sigma_{tW} = 75 \pm 1(\text{stat}) +15_{-14}(\text{syst}) \pm 1(\text{lumi})$ بيكرو-بار (pb)، وهي متسقة مع تنبؤ النموذج القياسي البالغ $79.3^{+2.9}_{-2.8}$ بيكرو-بار. ويتوافق العنصر المستخرج $|f_{LV}V_{tb}| = 0.97 \pm 0.10$ مع توقع النموذج القياسي الذي يساوي الواحد الصحيح.
• إنتاج $t$-channel (13 تيرالكتر فولت): تم قياس $\sigma(tq) = 137 \pm 8$ بيكرو-بار و $\sigma(\bar{t}q) = 84^{+6}_{-5}$ بيكرو-بار. وتتماشى هذه النتائج مع تنبؤات النموذج القياسي البالغة $134.2^{+2.6}_{-1.7}$ بيكرو-بار و $80.0^{+6}_{-5}$ بيكرو-بار، على التوالي. كما تم تسجيل النسبة $R_t = \sigma(tq)/\sigma(\bar{t}q) = 1.636^{+0.036}_{-0.034}$، و $|f_{LV}V_{tb}| = 1.015 \pm 0.031$.
• إنتاج $t$-channel (5.02 تيرالتر فولت): تم قياس $\sigma(tq) = 19.8^{+3.9}_{-3.1}(\text{stat}) +2.9_{-2.2}(\text{syst})$ بيكرو-بار و $\sigma(\bar{t}q) = 7.3^{+3.2}_{-2.1}(\text{stat}) +2.8_{-1.5}(\text{syst})$ بيكرو-بار. وبينما تتوافق النتائج مع تنبؤات النموذج القياسي، إلا أن أوجه عدم اليقين أكبر (تصل إلى 58% نسبياً) بسبب محدودية الإحصائيات.
• إنتاج $t\bar{t}$ (13.6 تيرالكتر فولت): تم قياس $\sigma_{t\bar{t}} = 850 \pm 3(\text{stat}) \pm 18(\text{syst}) \pm 20(\text{lumi})$ بيكرو-بار و $\sigma_{Z\to\ell\ell} = 744 \pm 11(\text{stat}+\text{syst}) \pm 16(\text{lumi})$ بيكرو-بار. والنسبة $R_{t\bar{t}/Z} = 1.145 \pm 0.003(\text{stat}) \pm 0.021(\text{syst}) \pm 0.002(\text{lumi})$ متسقة مع تنبؤ النموذج القياسي ضمن انحراف معياري واحد.
• إنتاج $t\bar{t}$ في $p$+Pb (8.16 تيرالكتر فولت): تم قياس المقطع العرضي الشامل $\sigma_{t\bar{t}} = 58.1 \pm 2.0(\text{stat}) +4.8_{-4.4}(\text{syst})$ نانو-بار (nb). وعامل التعديل النووي $R_{pA} = 1.090 \pm 0.039(\text{stat}) +0.094_{-0.087}(\text{syst})$ متسق مع تنبؤ النموذج القياسي الذي يساوي الواحد الصحيح.

الأهمية والادعاءات
يزعم البحث أن هذه النتائج توفر اختبارات صارمة للنموذج القياسي، وتحديداً عبر سبر حدود الديناميكا اللونية الكمومية الاضطرابية عند دقة (N)NLO. تعمل هذه القياسات على تقييد معلمات مولدات مونت كارلو (Monte Carlo)، مما يحسن نمذجة خلفيات النموذج القياسي التي تتضمن الكواركات القمة. ويؤكد التقرير أن جميع النتائج المقدمة، بما في ذلك المقاطع العرضية، والنسب، وعنصر $|V_{tb}|$، في توافق جيد مع تنبؤات النموذج القياسي. إن تضمين نسبة $t\bar{t}$ إلى $Z$ وعامل التعديل النووي يسلط الضوء على قدرة هذه القياسات على تقييد توزيعات البارتونات (PDFs)، وخاصة نسبة الغلوون إلى الكوارك والبارتونات النووية في تصادمات الأيونات الثقيلة. ويعزز الاتساق عبر مختلف طاقات وأنظمة التصادم من متانة الوصف النظري للنموذج القياسي لإنتاج الكوارك القمة.