Measurement of the dineutrino system kinematic variables in dileptonic top quark pair production in proton-proton collisions at$\sqrt{s}$ = 13 TeV

ملخص تقني: قياس المتغيرات الكينماتيكية لنظام ثنائي النيوترينو في إنتاج أزواج الكواركات العلوية ثنائية الليبتونات

المشكلة والدوافع
تعد القياسات الدقيقة لإنتاج أزواج الكواركات العلوية ($t\bar{t}$) اختبارات صارمة للنموذج القياسي (SM) وهي حاسمة للبحث عن الظواهر الجديدة. وبينما ركزت قياسات المقطع العرضي التفاضلي السابقة على الملحوظات الكينماتيكية المرئية (النفثات، الليبتونات) أو الجسيمات الوسيطة (بوزونات $W$، الكواركات العلوية)، فإن بعض سيناريوهات ما وراء النموذج القياسي (BSM) تعدل بشكل أساسي القطاع غير المرئي للحدث. وتحديداً، العمليات التي تتضمن جسيمات غير مكتشفة، مثل إنتاج "السكوارك" العلوي (top squark) في إطار التناظر الفائق والتي تتحلل إلى كواركات علوية ونيوترالينوات، يمكن أن تحاكي بصمة الـ $t\bar{t}$ ثنائية الليبتونات ولكنها تغير كينماتيكا الزخم المستعرض المفقود ($\vec{p}^{\text{miss}}_T$).

تعالج هذه الورقة الحاجة إلى التحقق من نمذجة عملية الـ $t\bar{t}$ في النموذج القياسي في حيز طور حساس لسيناريوهات الـ BSM المذكورة. يركز التحليل على الحالات النهائية ثنائية الليبتون ($e^+e^-$، $\mu^+\mu^-$، و $e^\pm\mu^\mp$)، حيث يشكل النيوترينان الناتجان عن تحللات بوزون $W$ المصدر الرئيسي للـ $\vec{p}^{\text{miss}}_T$. تدرس الدراسة المقاطع العرضية التفاضلية كدالة لـ:

1. الزخم المستعرض لنظام ثنائي النيوترينو ($p^{\nu\nu}_T$).
2. الحد الأدنى للمسافة السمتية بين نظام ثنائي النيوترينو وليبتون مشحون ($\min[\Delta\phi(\vec{p}^{\nu\nu}_T, \vec{p}^\ell_T)]$).
3. توزيع ثنائي الأبعاد (2D) لكلا الملحوظتين.

المنهجية
يستخدم التحليل بيانات تصادم بروتون-بروتون سجلها كاشف CMS عند طاقة مركز الكتلة $\sqrt{s} = 13$ تريليون إلكترون فولت بين عامي 2016 و2018، وهو ما يقابل لمعاناً متكاملاً قدره $138 \text{ fb}^{-1}$.

• اختيار الأحداث: يتم اختيار الأحداث التي تتطلب ليبتونين بمتضادات شحنة (مع $p_T > 25/20$ GeV لليبتون الرائد والثانوي)، ونفثتين على الأقل (واحدة موسومة بـ $b$-tag)، ومتطلبات محددة للزخم المستعرض المفقود. تتطلب قنوات التماثل في النكهة $p^{\text{miss}}_T > 40$ GeV وحظراً على كتلة الليبتون الثنائية بالقرب من كتلة بوزون $Z$ لتثبيط خلفيات دريل-يان (Drell-Yan).
• دقة الزخم المستعرض المفقود: يعد إعادة بناء كينماتيكا نظام ثنائي النيوترينو عبر $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ مكوناً حرجاً في التحليل. ولتحسين الدقة، خاصة عند قيم $p^{\text{miss}}_T$ العالية، تم تطوير انحدار يعتمد على شبكة عصبية عميقة (DNN) مخصصة. تقوم هذه الشبكة بتصحيح متجه $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ (الذي أعيد بناؤه في الأصل باستخدام خوارزمية PUPPI) من خلال التنبؤ بالفرق بين $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ المُعاد بناؤه والمُولد بناءً على 17 ملحوظة مدخلة، بما في ذلك كينماتيكا النفثات والليبتونات. وتعمل هذه الطريقة على تحسين دقة مقدار والزاوية السمتية لـ $\vec{p}^{\text{miss}}_T$ بنسبة تقارب 15% و12% على التوالي مقارنة بإعادة البناء القياسية.
• إزالة الانتظام (Unfolding): يتم استخراج المقاطع العرضية التفاضلية عند مستوى الجسيمات باستخدام طريقة إزالة الانتظام بأقل مربعات غير منتظمة (TUNFOLD). تتضمن العملية طرح مساهمات الخلفية (التي يهيمن عليها $t\bar{t}$ مع تحللات غير ثنائية الليبتون، والتو أحادي، ودريل-يان) وإزالة انتظام توزيعات مستوى الكاشف إلى حيز طور معياري محدد بقبول الكاشف وقيود كينماتيكية معينة.
• الارتياب في القياس (Systematic Uncertainties): تُصنف الارتيابات إلى تجريبية (مقياس طاقة/دقة النفثات، إعادة بناء الليبتونات، وسم الـ $b$-tagging، اللمعان، التراكم/pileup) ونظرية (مقاييس إعادة التطبيع/التجزئة، توزيعات البارتون، مخططات المطابقة، كتلة الكوارك العلوي، ومعايرة الخلفيات).

المساهمات الرئيسية

• القياس الأول: يقدم هذا العمل أول قياسات للمقطع العرضي التفاضلي لإنتاج $t\bar{t}$ كدالة لمتغيرات كينماتيكا نظام ثنائي النيوترينو ($p^{\nu\nu}_T$ و $\min[\Delta\phi]$).
• تطبيق الـ DNN: تطوير وتطبيق انحدار يعتمد على الشبكة العصبية العميقة (DNN) لتصحيح $\vec{p}^{\text{miss}}_T خصيصاً لأحداث$t\bar{t}$ ثنائية الليبتون، مما يعزز بشكل كبير الدقة المطلوبة لإعادة بناء الكينماتيكا.
• التحليل ثنائي الأبعاد (2D): تقديم قياس تفاضلي ثنائي الأبعاد، مما يوفر رؤية أكثر تفصيلاً لارتباطات حيز الطور بين نظام النيوترينو والليبتونات.
• الحساسية للـ BSM: يتضمن التحليل اختبارات إغلاق باستخدام سيناريو إنتاج زوج من السكوارك العلوي (كتلة السكوارك 525 GeV، كتلة النيوترالينو 350 GeV) لإثبات أن القياس وإجراء إزالة الانتظام يمكنهما إعادة إنتاج الانحرافات عن افتراض النموذج القياسي المستخدم في بناء مصفوفة الاستجابة بشكل صحيح.

النتائج
تتم مقارنة المقاطع العرضية التفاضلية المطلقة والمطبعة التي تم قياسها مع خمسة تنبؤات نظرية:

1. POWHEG+PYTHIA (NLO)
2. POWHEG+HERWIG (NLO)
3. MC@NLO+PYTHIA (NLO)
4. Fixed-order NLO QCD
5. Fixed-order NNLO QCD

• الاتفاق: النتائج المقاسة تتفق عموماً مع جميع التنبؤات النظرية. وتظهر توزيعات البيانات والمحاكاة لـ $p^{\text{miss}}_{T,\text{DNN}}$ و $\min[\Delta\phi]$ اتساقاً جيداً.
• التوافق الإحصائي: تشير اختبارات $\chi^2$ إلى أن جميع التنبؤات تصف البيانات جيداً. بالنسبة للقياسات المطلقة أحادية البعد، توفر تنبؤات POWHEG أفضل وصف إجمالي. وبالنسبة للقياس المطلق ثنائي الأبعاد، يظهر حساب النطاق الثابت NNLO أفضل توافق.
• اختلافات الشكل: لوحظت اختلافات طفيفة في الشكل في توزيع $\min[\Delta\phi]$، وهي متسقة مع القياسات السابقة للزاوية السمتية بين الليبتونين. هذه الاختلافات تقع ضمن نطاق الارتيابات النظرية.
• هيمنة الارتياب: بالنسبة لقياس $p^{\nu\nu}_T$، يعد مقياس طاقة النفثات (JES) هو الارتياب التجريبي المهيمن. أما بالنسبة للقياس الزاوي، فتصبح ارتيابات إعادة بناء الليبتونات كبيرة عند الزوايا الكبيرة. وتهمين الارتيابات النظرية المتعلقة بمخطط إزالة التداخل $tW$-$t\bar{t}$ عند قيم $p^{\nu\nu}_T$ العالية.

الأهمية
تزعم الورقة أن هذه النتائج تشكل أول قياسات للمقطع العرضي التفاضلي بناءً على الخصائص الكينماتيكية لثنائي النيوترينو في إنتاج أزواج الكواركات العلوية. وتتحقق هذه القياسات من نمذجة عملية $t\bar{t}$ في النموذج القياسي في حيز طور حساس خصيصاً لسيناريوهات الـ BSM التي تقدم مصادر إضافية للجسيمات غير المكتشفة. ويؤكد الاتفاق الملحوظ بين البيانات ومختلف الحسابات النظرية (بما في ذلك NNLO) متانة الأوصاف الحالية للنموذج القياسي في قناة الليبتونات الثنائية. ورغم عدم العثور على انحرافات كبيرة، فإن دقة هذه القياسات وتحسين دقة الزخم المستعرض المفقود يوفران خط أساساً محسناً للبحث المستقبلي عن فيزياء جديدة في القطاع غير المرئي لأحداث الكواركات العلوية.