Observation of top-quark pair production in lead-lead collisions at $\sqrt{s_\mathrm{NN}}=5.02$ TeV with the ATLAS detector

技術要約：ATLAS検出器による $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV の Pb+Pb 衝突における $t\bar{t}$ 生成の観測

問題と動機
大型ハドロン衝突型加速器（LHC）における重イオン（HI）衝突は、初期宇宙に存在したと考えられている、クォークとグルオンが非閉じ込め状態にある「クォーク・グルオン・プラズマ（QGP）」を再現するものである。QGPの寿命は極めて短いため（$\approx 10^{-23}$ s）、直接的な測定は不可能であるが、衝突によって生成される粒子はプローブとして機能する。トップクォークは、その崩壊タイムスケールがハドロン化のタイムスケールよりも短いため、特に注目されている。これは、トップクォークがQGPとの強い相互作用を起こす前に崩壊することを意味しており、これにより、トップクォークからの $W$ ボソンのその後の崩壊を通じて、QGPの時間構造を研究することが可能となる。さらに、重イオン衝突におけるトップクォークの測定は、他のデータでは制約が不十分な運動学的領域における核子分関数（nPDF）への核的修正を制約することができる。$t\bar{t}$ 生成はプロトン・鉛（$p$+Pb）衝突では観測されており、CMS実験によって鉛・鉛（Pb+Pb）衝突における証拠も見出されているが、ATLAS実験によるPb+Pb衝突における決定的な観測は待たれていた。

手法
本解析では、中心質量エネルギー $\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV に対応する、2015年および2018年のPb+Pbラン期間中にATLAS検出器によって収集されたデータを使用している。これに対応する積算ルミノシティは 1.9 nb$^{-1}$ である。

• イベント選択: 解析では、$Z \to \ell\ell$ が支配的な同種レプトンチャネルと比較して背景事象（バックグラウンド）の混入が最も少ない、ジレプトン崩壊チャネル $t\bar{t} \to e\nu_e \mu\nu_\mu b\bar{b}$ を対象とする。イベントには、符号が逆の電子1つとミューオン1つ、および少なくとも2つのジェットが含まれていることが要求される。
  • レプトン: 電子は $p_T > 18$ GeV かつ $|\eta| < 2.47$、ミューオンは $p_T > 15$ GeV かつ $|\eta| < 2.5$ である必要がある。両者は「Loose」識別基準およびアイソレーション（孤立性）条件を満たさなければならない。
  • ジェット: 反 $k_t$ アルゴリズム（半径パラメータ $R=0.4$）を用いて再構成され、$p_T > 35$ GeV かつ $|\eta| < 2.5$ が要求される。重イオン衝突におけるヘビーフレーバー・ジェットの較正を可能にするため、$b$ タギングは課さない。
  • セントラリティ（中心度）: 光子誘起過程による寄与を最小限に抑えるため、イベントは 0–80% セントラリティの範囲内で選択される。
• シグナル領域: サンプルは、ジレプトン横運動量 $p_T^{e\mu}$ に基づいて2つのシグナル領域（SR1およびSR2）に分割される。SR1は $p_T^{e\mu} > 40$ GeV（シグナル優勢）、SR2は $p_T^{e\mu} \le 40$ GeV と定義される。
• 背景事象の推定:
  • フェイクレプトン: データを用いた $ABCD$ 法を用いて推定する。これには、同符号レプトン対および反転させたアイソレーション基準を利用した制御領域を用いる。
  • 物理的背景事象: $Z$+jets、$tW$（シングルトップ）、および $VV$（ダイボソン）プロセスは、理論的な断面積に正規化されたモンテカルロ（MC）シミュレーション（Powheg, Sherpa）を用いてモデル化され、制御領域で検証される。
• 系統誤差と補正: レプトンおよびジェットの検出器応答補正は、$Z \to \ell\ell$ イベントから導出され、データで検証される。MCでは明示的にモデル化されていないジェット消滅（ジェット・クエンチング）効果については、ジェットの運動量ではなく多重度に依存するようにジェット選択を最適化し、セントラルおよび周辺的衝突におけるジェットエネルギー・スケールのための有効な補正係数を導出することで対処している。系統誤差には、シグナルモデリング、ジェットエネルギー・スケール、レプトン再構成、およびルミノシティ（1.5%）が含まれる。

主要な結果

• 観測: 解析の結果、SR1で22イベント、SR2で10イベントが観測された。$t\bar{t}$ シグナルの観測有意度は 5.0 標準偏差 であり、期待されていた有意度である 4.1 標準偏差を上回った。これは、ATLAS実験によるPb+Pb衝突における $t\bar{t}$ 生成の初観測である。
• 断面積の測定: 測定された包括的な $t\bar{t}$ 生成断面積は以下の通りである：
  $$\sigma_{t\bar{t}} = 3.6^{+1.0}_{-0.9} \text{ (stat.)} ^{+0.8}_{-0.5} \text{ (syst.) } \mu\text{b}$$
  全相対不確かさは 31% であり、限定されたデータサンプルによる統計的不確定量によって支配されている。
• 理論との比較: 測定された断面積は、鉛の質量数 $A_{Pb}^2$ でスケールされた、次々次（NNLO）および次々次対数（NNLL）精度の標準模型予測と一致している。結果は、様々な最新の nPDF セット（EPPS21, nCTEQ15HQ, nNNPDF30, TUJU21）を用いた予測と一致している。

意義と主張
本論文は、この観測が、初期宇宙に類似した非常に高いエネルギー密度の前平衡段階のQGPにおいて、トップクォークを含むすべてのクォークのフレーバーが存在するという証拠を強固にするものであると主張している。$b$ タギングの要求なしに重イオン衝突内でのトップクォーク対の再構成に成功したことで、本研究は、QGP内でのハドロン崩壊するトップクォークの将来の研究のための基礎を確立した。著者は、現在の測定は理論的予測と一致しているものの、核子部分分布関数（nPDF）を効果的に制約するためには、さらなる精度の向上が必要であると述べている。