Measurement of the cross-section for the production of a $W$ boson in association with $b$-jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur ATLAS, cet article présente une mesure de la section efficace de production de $W$+jet $b$ qui atteint une précision relative deux fois meilleure que les résultats précédents et qui est cohérente avec les prédictions de la QCD au niveau suivant (next-to-leading-order).

L'essentiel

La vue d'ensemble : Attraper un fantôme avec un ami pesant

Imaginez le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) comme le brise-particules le plus puissant au monde. Il projette deux faisceaux de protons (de minuscules particules) l'un contre l'autre à une vitesse proche de celle de la lumière. Lorsqu'ils s'entrechoquent, ils créent une explosion chaotique de nouvelles particules, comme si l'on brisait un vase et que l'on regardait les morceaux voler partout.

Ce document traite d'un type spécifique de « fragment » que le détecteur ATLAS recherche : un boson W (une particule lourde et instable) qui naît aux côtés d'un jet b (un jet de particules créé par un quark de fond, ou bottom quark, très lourd).

Considérez le boson W comme un « fantôme ». Il se désintègre presque instantanément en un lepton (un électron ou un muon) et un neutrino. Le neutrino est invisible ; il glisse à travers le détecteur comme un fantôme à travers un mur. Nous savons que le fantôme était là parce que nous voyons le lepton qu'il a laissé derrière lui et que nous remarquons une quantité d'énergie « manquante » (le neutrino) dans le bilan de la collision.

Le jet b est l'« ami pesant ». Les quarks de fond sont lourds et vivent juste assez longtemps pour parcourir une distance infime avant de se désintégrer. Cela laisse une « empreinte » distincte dans le détecteur qui permet aux scientifiques de les identifier.

L'objectif de ce document est de compter la fréquence à laquelle ce duo spécifique (le fantôme et l'ami pesant) apparaît lors des collisions de protons, et de mesurer exactement l'« élan » (la quantité de mouvement) de l'ami pesant.

L'installation : Une caméra géante et un ensemble de données massif

Le détecteur ATLAS est essentiellement une caméra géante à 360 degrés entourant le point de collision. Il est superposé comme un oignon :

• Le Cœur : Suit les trajectoires des particules chargées.
• Le Milieu : Mesure l'énergie des particules qui s'y arrêtent (comme les électrons et les photons).
• La Coque Extérieure : Capture les muons, qui peuvent traverser les couches internes.

Les scientifiques ont utilisé des données collectées entre 2015 et 2018. Il s'agit d'un ensemble de données massif, équivalant à 140 femtobarns inverses de collisions. Pour donner un ordre d'idée, si la mesure précédente à 7 TeV était comparable à la prise d'une photo avec un appareil de 4 mégapixels, cette nouvelle mesure est comparable à une photo prise avec un appareil de 120 mégapixels. Ils disposent de 30 fois plus de données, ce qui rend l'image beaucoup plus nette.

Le Défi : Trouver une aiguille dans une botte de foin

Le problème est que l'événement « fantôme + ami pesant » est rare. La plupart du temps, les collisions de protons produisent autre chose :

1. Les « Faux » Fantômes : Parfois, un jet de particules est identifié à tort comme un électron ou un muon.
2. Les « Faux » Amis Pesants : Parfois, un quark léger ou un quark de charme est identifié à tort comme un quark de fond.
3. Les « Vrais » Invités Indésirables : Des événements impliquant des quarks top (qui sont encore plus lourds) ou des jets multiples peuvent ressembler très fortement à ce que les scientifiques recherchent.

Le signal (le boson W + jet b) ne représente qu'environ 30 % des événements qui passent les premiers filtres. Les 70 % restants sont du bruit de fond.

Le Travail de Détective : Comment ils ont séparé le signal

Pour trouver le véritable signal, l'équipe a utilisé deux principales techniques de détective :

1. La Méthode de la Matrice (Le test du « Détecteur de Mensonges »)
Pour les leptons « faux » (lorsqu'un jet ressemble à un électron), ils ont utilisé un tour statistique appelé la Méthode de la Matrice. Imaginez que vous avez un groupe de personnes, dont certaines disent la vérité et d'autres mentent.

• Vous posez une question stricte (le critère « Tight »).
• Vous posez une question plus souple (le critère « Anti-Tight »).
• En sachant combien de personnes disent la vérité et combien mentent lors de chaque test, vous pouvez mathématiquement résoudre exactement combien de menteurs se trouvent dans le groupe « Tight ». Cela leur a permis de soustraire les leptons de substitution de leurs données.

2. L'Ajustement de Saveur (L'analyse de l'« Empreinte Digitale »)
Pour les jets b « faux » (lorsqu'un jet léger est confondu avec un quark de fond), ils ont examiné l'« empreinte digitale » laissée par l'algorithme de marquage des jets b (b-tagging).

• Les vrais quarks de fond laissent un signal très spécifique et fort dans le détecteur.
• Les quarks légers laissent un signal faible ou différent.
• Les scientifiques ont pris la distribution de ces signaux à partir de leurs données et l'ont comparée aux prédictions de leurs simulations informatiques pour les vrais jets b, les faux jets b et autres bruits de fond. Ils ont ajusté les chiffres jusqu'à ce que la simulation corresponde parfaitement aux données. Cet « ajustement » leur a indiqué exactement combien de l'on avait d'événements W + jet b réels.

Les Résultats : Une mesure précise

Après avoir nettoyé les données et éliminé le bruit de fond, ils ont mesuré la section efficace. En physique des particules, la section efficace est essentiellement une mesure de la « probabilité » que cet événement se produise. C'est comme mesurer la taille d'une cible : une section efficace plus grande signifie que la cible est plus grande et plus facile à atteindre.

• La Mesure : Ils ont trouvé que la probabilité de cet événement est de 16,6 ± 1,9 picobarns (un picobarn est une unité de surface minuscule).
• La Comparaison : Ils ont comparé ce résultat à deux théories informatiques différentes (Sherpa et MGaMC+Py8).
  • La théorie Sherpa prédisait 16,8 ± 2,3 pb. La mesure correspond presque parfaitement.
  • La théorie MGaMC+Py8 prédisait 13,9 ± 1,3 pb. La mesure est légèrement supérieure à celle-ci, d'environ un écart-type (une petite marge d'erreur statistique).

Pourquoi cela importe

Il ne s'agit pas seulement de compter des particules ; il s'agit de tester les règles de l'univers.

• Tester les Règles : Le Modèle Standard (notre carnet de règles actuel de la physique) prédit comment ces particules devraient se comporter. En mesurant ce processus avec une grande précision, les scientifiques vérifient si le carnet de règles est correct.
• Le Facteur « Pesant » : Ce processus implique des quarks lourds (quarks de fond). Comprendre comment ils interagissent avec le boson W aide à affiner notre compréhension de la force nucléaire forte (Chromodynamique Quantique).
• Bruit de Fond pour la Nouvelle Physique : Le processus W + jet b est un « bruit de fond » majeur pour la recherche du boson de Higgs ou de nouvelles particules inconnues. Pour trouver une nouvelle aiguille dans la botte de foin, il faut d'abord savoir exactement quelle est la taille de la botte de foin. Cette mesure aide à affiner la recherche d'une nouvelle physique.

L'essentiel à retenir

La collaboration ATLAS a pris un ensemble de données massif provenant du LHC et a utilisé des astuces statistiques sophistiquées pour isoler une interaction de particules rare. Ils ont découvert que l'univers produit des bosons W avec des quarks de fond à un taux qui correspond très étroitement à nos meilleures théories actuelles (spécifiquement le modèle Sherpa). La mesure est deux fois plus précise que la tentative précédente, grâce à 30 fois plus de données et de meilleurs outils. C'est une confirmation réussie de notre compréhension actuelle de la manière dont les quarks lourds se comportent lors de collisions à haute énergie.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure de la section efficace de production d'un boson W en association avec des jets b dans les collisions pp à $\sqrt{s} = 13$ TeV avec le détecteur ATLAS

Problématique et motivation
Cet article présente une mesure de la section efficace de production d'un boson $W$ en association avec un ou deux jets, dont au moins un jet provient d'un quark $b$ ($W + b$-jets). Ce processus est une sonde critique de la chromodynamique quantique perturbative (pQCD) impliquant des quarks lourds. Dans le Modèle Standard, la contribution dominante provient de la division d'un gluon en une paire $b\bar{b}$ ($W + g(\to b\bar{b})$), tandis que les contributions de l'ordre suivant (NLO) dépendent du traitement de la production des quarks $b$, distinguant spécifiquement le schéma à quatre saveurs (4FNS) du schéma à cinq saveurs (5FNS).

Des mesures précises de cette section efficace sont essentielles pour affiner les calculs théoriques et valider les techniques de Monte Carlo (MC). De plus, le processus $W + b$-jets constitue un bruit de fond significatif pour les mesures de production du boson Higgs (spécifiquement $WH$ et $ZH$ avec $H \to b\bar{b}$) et sert de bruit de fond irréductible dans les recherches de physique au-delà du Modèle Standard ainsi que dans les mesures de production du quark top unique. Les mesures précédentes au Tevatron et à l'LHC (ATLAS à 7 TeV et CMS à 7/8 TeV) ont montré des tensions variables avec les prédictions théoriques NLO, ce qui motive une mesure de haute précision utilisant l'ensemble du jeu de données du Run 2.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur ATLAS à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 140 fb$^{-1}$ (2015–2018). Le boson $W$ est reconstruit via sa désintégration leptonique ($W \to e\nu$ ou $W \to \mu\nu$).

• Sélection d'événements : Les événements candidats doivent posséder exactement un électron ou un muon de haute $p_T$, une impulsion transverse manquante ($E_T^{miss}$) cohérente avec un neutrino, et exactement un ou deux jets reconstruits. Dans la catégorie « 1j1b », le jet unique doit être identifié comme un jet $b$ ($b$-taggé). Dans la catégorie « 2j1b », exactement un des deux jets doit être $b$-taggé. Les événements avec des $b$-jets additionnels ou trois jets ou plus sont rejetés pour supprimer les bruits de fond de quarks top.
• Reconstruction d'objets : Les électrons et les muons sont sélectionnés avec des critères d'identification et d'isolement stricts. Les jets sont reconstruits à l'aide de l'algorithme anti-$k_t$ ($R=0.4$) avec des entrées de flux de particules (particle-flow). Le marquage $b$ ($b$-tagging) est effectué à l'aide du discriminant du réseau neuronal profond DL1r à un point de fonctionnement de 60 %.
• Estimation du bruit de fond :
  • Bruit de fond multijet : Estimé par une « méthode de matrice » basée sur les données pour séparer les leptons prompts des leptons non-prompts (faux).
  • $W + c$-jets et $W +$ jets légers : Ces bruits de fond dominants, qui imitent la cinématique du signal, sont estimés par une méthode de « ajustement de saveur » (flavour-fit) basée sur les données. Cela implique un ajustement $\chi^2$ simultané de la distribution du discriminant de marquage $b$ (score DL1r) dans deux régions d'efficacité (0–20 % et 20–60 %) pour extraire le rendement du signal et le bruit de fond combiné $W +$ autres jets.
  • Autres bruits de fond : Les contributions de $t\bar{t}$, du quark top unique, des dibosons, de $Z$+jets et de $W \to \tau\nu$ sont estimées à l'aide d'échantillons MC entièrement simulés (Sherpa, Powheg+Pythia, MadGraph5_aMC@NLO).
• Extraction de la section efficace : Les rendements mesurés sont corrigés des effets du détecteur (efficacité, résolution, acceptation) pour obtenir des sections efficaces fiduciales. Une procédure de déplissage (unfolding, technique bayésienne itérative) est appliquée pour corriger les migrations entre les bacs (bins) et extrapoler les résultats vers une région fiduciale définie au niveau des particules. Les résultats pour les canaux électron et muon sont combinés en utilisant la méthode de l'estimation linéaire non biaisée la plus robuste (BLUE).

Contributions clés

• Jeu de données : Il s'agit de la première mesure de la section efficace de $W + b$-jets par ATLAS utilisant l'intégralité du jeu de données du Run 2 (140 fb$^{-1}$), ce qui représente une augmentation significative des statistiques par rapport à la mesure précédente à 7 TeV (4,6 fb$^{-1}$).
• Mesure différentielle : L'article fournit des sections efficaces différentielles en fonction de la impulsion transverse ($p_T$) du premier jet $b$ dans quatre bacs (25–30, 30–40, 40–60 et 60–140 GeV) pour les régions de signal à 1 jet et 2 jets.
• Technique de l'ajustement de saveur : L'application de la méthode de l'ajustement de saveur pour extraire simultanément le signal et les bruits de fond dominants $W +$ jets légers/$c$ directement à partir des données réduit la dépendance à la modélisation théorique pour ces composantes spécifiques de bruit de fond.
• Comparaison théorique : Les résultats sont comparés à deux prédictions théoriques NLO : Sherpa (5FNS) et MadGraph5_aMC@NLO + Pythia (5FNS).

Résultats
La section efficace fiduciale inclusive mesurée pour $W + b$-jets (combinaison des canaux électron et muon) est :
$$\sigma_{\text{fid}} = 16.6 \pm 1.9 \text{ pb}$$
Cette valeur est cohérente avec la prédiction NLO de Sherpa de $16.8 \pm 2.3$ pb. La mesure est environ une déviation standard plus élevée que la prédiction MadGraph5_aMC@NLO + Pythia de $13.9 \pm 1.3$ pb.

La décomposition de la section efficace par multiplicité de jets est :

• Région à 1 jet : $9.1 \pm 0.9$ pb
• Région à 2 jets : $7.5 \pm 1.1$ pb

Les sections efficaces différentielles montrent un bon accord avec la prédiction Sherpa dans tous les bacs de $p_T$. La prédiction MGaMC+Py8 FxFx présente un déficit systématique d'environ une déviation standard par rapport aux données.

Incertitudes et précision
L'incertitude totale sur la section efficace inclusive est d'environ 10 %, dominée par les incertitudes systématiques (principalement le calibrage du marquage $b$ et la modélisation du bruit de fond de quarks top dans la région à 2 jets). L'incertitude statistique est d'environ 1 %. La précision relative de cette mesure est améliorée d'un facteur deux par rapport à la précédente mesure ATLAS à $\sqrt{s} = 7$ TeV. Cette amélioration est attribuée à l'ensemble de données plus important (30 fois plus de données) et à l'amélioration des performances des jets et du marquage $b$.

Signification
L'article affirme que cette mesure fournit un test rigoureux de la pQCD en présence de quarks lourds et offre des contraintes améliorées sur les calculs théoriques et la modélisation MC. Les résultats sont cohérents avec la prédiction NLO de Sherpa au sein des incertitudes, tandis que la légère tension avec la prédiction MGaMC+Py8 FxFx souligne la nécessité d'un raffinement continu des modèles théoriques. La haute précision atteinte sert de contribution précieuse pour réduire les incertitudes de bruit de fond dans les mesures de couplage du boson Higgs et les recherches de nouvelle physique.