Measurements of inclusive and differential cross-sections of $t\bar{t}γ$ production in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

ملخص تقني: قياسات المقاطع العرضية الشاملة والمتفاضلة لإنتاج $t\bar{t}\gamma$

المشكلة والدوافع
يعد الإنتاج المصاحب لزوج من الكواركات القمة وفوتون ($t\bar{t}\gamma$) مسباراً حاسماً للارتباط الكهروضعيف بين كوارك القمة والفوتون ($t-\gamma$). وتعتبر هذه العملية حساسة بشكل خاص لعزوم ثنائية القطب الشاذة المحتملة لكوارك القمة، والتي يمكن تفسيرها ضمن إطار نظريات الحقل الفعالة (EFT). وبينما يمكن أن ينشأ إشعاع الفوتون في أحداث $t\bar{t}$ من الكواركات في الحالة الأولية، أو من كواركات القمة نفسها، أو من نواتج التحلل المشحونة، فإن هذا التحليل يستهدف تحديداً مرحلة الإنتاج حيث يتم إشعاع الفوتون. يوفر هذا الشكل أعلى حساسية لارتباط $t-\gamma$. والهدف الأساسي هو قياس المقاطع العرضية الشاملة والمتفاضلة لتقييد مؤثرات الـ EFT المتعلقة بالعزوم ثنائية القطب الكهروضعيفة لكوارك القمة.

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادم البروتون-بروتون التي جمعها كاشف ATLAS في مصادم الهادرونات الكبير (LHC) خلال فترة التشغيل 2 (Run 2)، والتي تقابل لمعاناً متكاملاً قدره $140 \text{ fb}^{-1}$ عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13 \text{ TeV}$. وتدرس الدراسة مسارات تحلل نظام $t\bar{t}$ بنوعيها: الليبتون الواحد والليبتون المزدوج.

• اختيار الأحداث:

  • مسار الليبتون المنفرد: يتم اختيار الأحداث التي تحتوي على فوتون واحد بالضبط وليبتون واحد معزول (إلكترون أو ميون)، وأربعة جتات (jets) مُعاد بناؤها على الأقل، وجت واحد على الأقل مُحدد بـ $b$-tag.
  • مسار الليبتون المزدوج: تتطلب الأحداث اثنين من الليبتونات المتضادة الشحنة والمعزولة ($ee$أو$e\mu$أو$\mu\mu$)، وجتين على الأقل، وجت واحد على الأقل مُحدد بـ$b$-tag.
  • القيود الكينماتيكية: تُطبق متطلبات كينماتيكية إضافية لتخميد الخلفيات. وتحديداً، يجب أن تتجاوز المسافة الزاوية $\Delta R = \sqrt{(\Delta\phi)^2 + (\Delta\eta)^2}$ بين الفوتون والليبتونات، وبين الجتات والفوتون/الليبتونات، قيمة 0.4.

• تقدير الخلفية:
  تُصنف الخلفيات بناءً على ما إذا كان الفوتون حقيقياً (prompt) أو جسيماً أُعيد بناؤه بشكل خاطئ.

  • الفوتونات الحقيقية: تُقدر باستخدام محاكاة مونت كارلو (MC) للعمليات التي تشمل $t\bar{t}\gamma$، و $W/Z$، والقمة المنفردة (single-top)، و $t\bar{t}$ المصاحب لـ $W/Z$.
  • الفوتونات المزيفة/المُشخصة خطأً: تُقدر باستخدام طرق مستمدة من البيانات. يتم تقدير الإلكترونات التي أُعيد بناؤها خطأً باستخدام مناطق تحكم غنية بأحداث $Z \to e\gamma$ و $Z \to ee$. أما الجتات التي أُعيد بناؤها خطأً أو الفوتونات ذات الأصل الهادروني، فتُقدر باستخدام طريقة ABCD.

• استخراج الإشارة:
  تُستخدم الشبكات العصبية (NNs) لتعزيز الفصل بين الإشارة والخلفية.

  • في مسار الليبتون المنفرد، تُعرف شبكة عصبية رباعية الفئات منطقة إشارة غنية بإنتاج $t\bar{t}\gamma$ وثلاث مناطق تحكم غنية بتحلل $t\bar{t}\gamma$، وفوتونات مزيفة، وأحداث $t\bar{t}\gamma$ أخرى.
  • في مسار الليبتون المزدوج، يقوم مصنف ثنائي الفصل بين أحداث إنتاج $t\bar{t}\gamma$ وجميع الخلفيات.
  • تُشتق المقاطع العرضية الشاملة من ملاءمة احتمالية (profile-likelihood fit) متزامنة عبر مناطق الإشارة ومناطق التحكم.

المساهمات الرئيسية والنتائج
تقدم الورقة قياسات للمقاطع العرضية عند مستوى الجسيم المستقر ضمن فضاء طور معياري (fiducial phase space) محدد بزخم عرضي ($p_T$) عالٍ للفوتونات وتعددية محددة من الجتات/الليبتونات.

• المقطع العرضي الشامل: تم قياس المقطع العرضي الشامل المدمج لإنتاج $t\bar{t}\gamma$ ليكون:
  $$\sigma_{t\bar{t}\gamma \text{ production}} = 319 \pm 15 \text{ fb} = 319 \pm 4 \text{ (stat)} +15_{-14} \text{ (syst) fb}.$$
  يهيمن نمذجة عمليات $t\bar{t}\gamma$ على عدم اليقين. وتتوافق هذه النتيجة مع توقعات الرتبة التالية للرتبة الأولى (NLO) من برنامج MadGraph5_aMC@NLO+Pythia 8، والتي تبلغ $296^{+29}_{-30} \text{ (scale)} +6_{-4} \text{ (PDF) fb}$.

• المقاطع العرضية المتفاضلة: تُقاس المقاطع العرضية المتفاضلة كدوال لمتغيرات كينماتيكا الفوتون والمسافات الزاوية بين الفوتون والليبتونات والجتات. وتتم مقارنة التوزيعات مقابل توقعات مونت كارلو (MG5_aMC+P8 و MG5_aMC+H7).

• تفسير الـ EFT: تُفسر النتائج في سياق نظرية الحقل الفعال للنموذج القياسي (SMEFT). يختبر التحليل حساسية عملية $t\bar{t}\gamma$ لمؤثرات ثنائية القطب $C_{tB}$ و $C_{tW}$، والتي ترتبط ببوسونات التناظر الفائق للهايبرتشارج (hypercharge) والإيزوسبين (isospin).

  • يتم اشتقاق الحدود على معاملات ويلسون من قياس المقطع العرضي المتفاضل لزخم الفوتون العرضي $p_T$.
  • يتم إجراء ملاءمة متزامنة باستخدام طيف $p_T$ للفوتون من $t\bar{t}\gamma$ وطيف $p_T$ لبوسون $Z$ من قياسات $t\bar{t}Z$، مستفيدة من حقيقة أن نفس المؤثرات تعدل كلتا العمليتين.
  • تُعرض النتائج أيضاً في قاعدة $(C_{tZ}, C_{t\gamma})$ المدورة لتقييم مدى صلة القياسات الفردية.

الأهمية والادعاءات
تزعم الورقة أن المقاطع العرضية والتوزيعات التفاضلية المقاسة متسقة مع توقعات النموذج القياسي ضمن حدود عدم اليقين. وتكمن الأهمية الأساسية في استخدام هذه القياسات لوضع قيود على معاملات الـ EFT المتعلقة بالعزوم ثنائية القطب الكهروضعيفة لكوارك القمة. ومن خلال دمج بيانات $t\bar{t}\gamma$ و $t\bar{t}Z$، يوفر التحليل قوة تقييدية تكميلية على معاملات ويلسون. وقد وُجد أن جميع الحدود المستمدة للأجزاء الحقيقية والخيالية للمعاملات متوافقة مع توقعات النموذج القياسي، مع عدم رصد أي دليل على وجود عزوم ثنائية قطب شاذة في مجموعة البيانات الحالية.