⚛️ high-energy experiments

Cross-section measurements for the production of a $W$ -boson in association with high-transverse-momentum jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV with the ATLAS detector

Cet article présente des mesures de sections efficaces de la production de bosons $W$ associés à des jets à impulsion transverse élevée en utilisant 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV issues du détecteur ATLAS, en se concentrant sur un espace de phase colinéaire afin de tester les prédictions théoriques d'ordre fixe et de Monte Carlo fusionné multi-jambes de pointe.

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Publié 2026-08-19

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

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Le Grand Collisionneur de Hadrons est une machine construite pour fracasser des protons les uns contre les autres à des vitesses proches de la vitesse de la lumière, recréant l'énergie intense qui existait juste après le début de l'univers. Lorsque ces minuscules particules entrent en collision, elles ne se contentent pas de rebondir les unes sur les autres ; elles se brisent en un jet de nouvelles particules, souvent éphémères. Parmi les produits les plus courants de ces collisions figurent les bosons W, des particules lourdes qui agissent comme des messagers de la force nucléaire faible, l'une des quatre forces fondamentales de la nature. Ces bosons W sont instables et se désintègrent presque instantanément, se transformant généralement en une particule chargée, telle qu'un électron ou un muon, et une particule presque invisible appelée neutrino. Comme le neutrino échappe à la détection, les physiciens infèrent sa présence en mesurant ce qui manque au bilan énergétique total de la collision.

Pour comprendre comment l'univers fonctionne à son niveau le plus fondamental, les scientifiques doivent être capables de prédire exactement la fréquence à laquelle ces particules sont créées et la manière dont elles se comportent. Cela nécessite une compréhension précise de la force forte, qui lie les quarks et les gluons à l'intérieur des protons. Lorsqu'un boson W est produit aux côtés de jets de particules à haute vitesse, l'événement devient un laboratoire complexe pour tester les théories mathématiques qui décrivent ces forces. Si les prédictions faites par ces théories ne correspondent pas à ce qui est observé dans le détecteur, cela pourrait signaler une faille dans notre compréhension actuelle ou la présence d'une nouvelle physique inconnue.

Un chercheur utilisant le détecteur ATLAS au LHC a maintenant examiné de plus près ces événements spécifiques, analysant une collection massive de données équivalente à 140 femtobarns inverses de collisions proton-proton. Cet ensemble de données, recueilli au cours de plusieurs années de fonctionnement, a permis au chercheur d'étudier les bosons W produits en association avec des jets de particules transportant une impulsion extrêmement élevée. Le chercheur s'est concentré sur un scénario spécifique où le boson W et un jet sont produits si proches l'un de l'autre en direction qu'ils semblent presque alignés, une configuration connue sous le nom de région colinéaire. Ce domaine de la physique est particulièrement difficile à modéliser car il implique des interactions complexes où de multiples jets de particules sont créés simultanément, repoussant les limites des calculs théoriques actuels.

Le chercheur a mesuré la fréquence à laquelle ces événements se produisaient et a examiné les propriétés détaillées des particules impliquées, telles que l'angle entre la particule chargée visible et le jet le plus proche, ainsi que le rapport de leurs impulsions. Il a comparé ses mesures du monde réel contre les simulations informatiques les plus avancées disponibles, qui utilisent des cadres mathématiques complexes pour prédire le comportement des particules. L'étude a révélé que les simulations combinant différents niveaux de précision théorique décrivent généralement très bien les données sur toute la gamme d'énergies testées. Cependant, le chercheur a également noté que dans certaines régions de haute énergie, les prédictions étaient légèrement supérieures à ce qui était réellement observé dans les données.

Une partie clé de l'analyse a consisté à tenir compte des effets du détecteur lui-même. Comme la machinerie utilisée pour capturer ces particules n'est pas parfaite, les données brutes doivent être mathématiquement « déconvoluées » (unfolded) pour révéler les propriétés réelles des particules telles qu'elles existaient avant de frapper le détecteur. Après cette correction, les résultats ont montré que les taux mesurés de production de bosons W correspondaient aux prédictions des meilleures théories disponibles, bien qu'avec de légères déviations dans les plages d'énergie les plus extrêmes. L'étude a également confirmé que l'inclusion de corrections pour les interactions électrofaibles — des effets subtils de la force faible et de l'électromagnétisme — améliorait l'accord entre la théorie et les données dans les collisions les plus énergétiques.

Ce travail constitue un test rigoureux du Modèle Standard de la physique des particules dans un régime où les particules transportent des énergies bien au-delà de ce que l'on observe dans la vie quotidienne. En confirmant que nos théories actuelles peuvent décrire avec précision ces événements à haute impulsion, la recherche renforce le fondement sur lequel les futures découvertes seront bâties. Les données ont été rendues publiques, permettant à d'autres scientifiques d'utiliser ces mesures précises pour affiner leurs propres modèles et rechercher tout signe subtil d'une nouvelle physique qui pourrait se situer juste au-delà de la portée des prédictions actuelles. Les conclusions servent de référence, garantissant que lorsque le prochain signal inattendu apparaîtra, il sera distingué du comportement connu de l'univers avec une plus grande confiance.

Résumé technique : Mesures de section efficace pour la production d'un boson W associé à des jets de haute impulsion transverse dans les collisions pp à $\sqrt{s}=13$ TeV avec le détecteur ATLAS

Problème et motivation
La production d'un boson $W$ associé à des jets ( $W$ +jets) représente un bruit de fond irréductible significatif pour un large éventail d'analyses au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC), incluant les mesures du boson de Higgs et du quark top, ainsi que les recherches de physique au-delà du Modèle Standard (BSM). Une modélisation théorique précise de ce processus sur une large gamme d'énergies est cruciale pour le succès du programme de physique du LHC. Si les descriptions à l'ordre dominant (LO) suffisent pour certains régimes, la production d'un boson $W$ associé à des jets de haute impulsion implique une dynamique QCD complexe. À l'ordre suivant (NLO), de nouvelles topologies de diffusion partonique émergent, particulièrement celles impliquant la production de dijets accompagnée de l'émission d'un $W$ réel. Ces contributions entraînent des « augmentations de colinéarité » dans le taux de production, proportionnelles à $\alpha_s \ln^2(p_T^{\text{jet le plus proche}}/m_W)$ , qui sont difficiles à modéliser dans la plage cinématique multi-TeV. Les mesures précédentes à 8 TeV et les premières données à 13 TeV étaient limitées en termes de statistiques ou de couverture de l'espace des phases. Cet article répond au besoin de mesures précises dans le régime de haute impulsion en utilisant l'ensemble du jeu de données du Run 2 afin de sonder les prédictions théoriques d'ordres supérieurs et d'améliorer la modélisation des variables cinématiques typiquement explorées dans les recherches de nouvelle physique.

Méthodologie
L'analyse utilise 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à une énergie de centre de masse de $\sqrt{s}=13$ TeV. L'étude se concentre sur les événements où le boson $W$ se désintègre en un électron ou un muon plus un neutrino, produit en association avec des jets ayant une impulsion transverse $p_T > 30$ GeV, le jet principal devant avoir un $p_T > 500$ GeV.

Sélection d'événements et régions : L'analyse définit une région « inclusive » et trois sous-régions basées sur la séparation angulaire $\Delta R_{\min}(\ell, \text{jet}_{100})$ entre le lepton et le jet le plus proche avec un $p_T > 100$ GeV. La région « colinéaire » ( $\Delta R < 2,6$ ) est dominée par les processus $W$ + $\ge$ 2-jets et les événements dijets rayonnant un $W$ , tandis que la région « dos à dos » (back-to-back, $\Delta R > 2,6$ ) est dominée par la production LO de $W$ +1-jet. Une région « inclusive 2-jets » est également définie.
Estimation du bruit de fond : Les bruits de fond dominants ( $t\bar{t}$ , $Z$ +jets et multijets) sont estimés à l'aide de techniques semi-expérimentales (semi-data-driven). Les facteurs de normalisation sont extraits de régions de contrôle dédiées, enrichies en ces processus spécifiques (par exemple, en exigeant des jets avec marquage $b$ pour $t\bar{t}$ ou des dileptons de saveur opposée et de même charge pour $Z$ +jets). Les bruits de fond multijets sont estimés par une méthode basée sur l'isolation des leptons et les échecs de paramètre d'impact.
Unfolding (Déconvolution) : Les effets du détecteur sont déconvolués au niveau des particules en utilisant une technique bayésienne itérative. La définition au niveau des particules inclut des leptons « habillés » (leptons plus photons rayonnés dans un $\Delta R=0,1$ ) et des jets regroupés à partir des particules de l'état final. L'unfolding corrige les effets d'inefficacité, d'acceptation et de résolution.
Comparaisons théoriques : Les distributions différentielles mesurées sont comparées à des prédictions de pointe :
- Générateurs Monte Carlo à multi-jambons fusionnés (multi-leg merged) : Sherpa 2.2.11 (NLO en $\alpha_s$ pour jusqu'à 2 jets, LO pour jusqu'à 5) et MadGraph5_aMC@NLO (NLO pour jusqu'à 3 jets) interfacés avec Pythia8.
- Calculs à ordre fixe : $W$ +1-jet calculé à l'ordre suivant (NNLO) en $\alpha_s$ en utilisant le programme MCFM.
- Corrections électrofaibles : l'impact des corrections virtuelles électrofaibles à l'ordre NLO (EW $_{\text{virt}}$ ) est évalué à l'aide des prédictions Sherpa.

Contributions clés et résultats
L'article présente des mesures de sections efficaces inclusives et différentielles pour la production de $W$ +jets dans le régime de haute $p_T$ .

Sections efficaces inclusives : Les sections efficaces fiduciales mesurées dans les régions inclusive, inclusive 2-jets, colinéaire et dos à dos sont en bon accord avec les données. Les incertitudes totales sur les mesures sont d'environ 3 % à 4 %, dominées par les incertitudes systématiques (modélisation du bruit de fond, échelle d'énergie des jets et marquage $b$ ).
Distributions différentielles :
- Colinéaire vs Dos à dos : Les mesures de $\Delta R_{\min}(\ell, \text{jet}_{100})$ et du rapport $p_T^{\ell\nu}/p_T^{\text{jet le plus proche}}$ distinguent avec succès les topologies colinéaires et dos à dos. Les générateurs de fusion multi-jambons (Sherpa et MadGraph5_aMC@NLO) fournissent une excellente description des données à travers ces variables.
- Régime de haute $p_T$ : Des mesures différentielles de la $p_T$ du jet principal (jusqu'à 1,5 TeV), de la multiplicité des jets, de la somme scalaire des impulsions transverses des jets ( $S_T$ ) et de la $p_T$ du candidat $W$ ( $p_T^{\ell\nu}$ ) sont présentées.
- Ordre fixe vs Fusion : La prédiction NNLO MCFM pour $W$ +1-jet fournit une bonne description des données avec une précision comparable aux incertitudes de la mesure dans la région dos à dos. Cependant, dans les régions avec de grands séparations angulaires ou de hautes multiplicités de jets (où les processus $W$ + $\ge$ 2-jets dominent), la prédiction MCFM sous-estime la section efficace, comme attendu compte tenu de sa précision formelle.
- Corrections électrofaibles : L'inclusion des corrections EW $_{\text{virt}}$ à l'ordre NLO dans la prédiction Sherpa conduit à une diminution globale de la section efficace inclusive de 10 % à 12 %. Ces corrections améliorent significativement l'accord entre la théorie et les données dans la région colinéaire et pour les bacs de haute $p_T^{\ell\nu}$ , où les logarithmes de Sudakov induisent de grandes corrections négatives. Inversement, elles conduisent à une sous-estimation de la section efficace dans la région dos à dos.
- Masse invariante ( $m_{jj}$ ) : Dans la région inclusive 2-jets, toutes les prédictions théoriques surestiment la section efficace pour $m_{jj} > 2$ TeV au-delà de leurs incertitudes systématiques.
  Signification
  L'article affirme que les mesures présentées servent d'excellent échantillon de données pour sonder les prédictions théoriques d'ordres supérieurs dans un espace des phases peuplé à la fois par des événements dijets rayonnant un boson $W$ et par des événements avec un boson $W$ produit en association avec plusieurs jets. Les résultats démontrent que :

Les générateurs Monte Carlo de fusion multi-jambons de pointe fournissent une description robuste de la production de $W$ +jets à travers une large gamme d'observables, incluant les hautes multiplicités de jets.
Les calculs à ordre fixe NNLO pour $W$ +1-jet sont précis et exacts dans leur domaine de validité mais nécessitent des contributions à plus haute multiplicité pour décrire l'espace des phases complet.
Les corrections électrofaibles à l'ordre NLO sont essentielles pour modéliser avec précision la queue de distribution à haute impulsion, particulièrement dans le régime colinéaire.
Les données, qui sont rendues publiques via HEPData et Rivet, permettront d'améliorer les descriptions théoriques de ces événements à haute énergie, bénéficiant directement à la modélisation des bruits de fond pour les futures recherches du Higgs, du top et de la nouvelle physique (BSM) au LHC.

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