Top-Quark Pair Production in Heavy-Ion Collisions in the ATLAS Experiment

技術要約：ATLAS実験における重イオン衝突でのトップクォーク対生成

問題と動機
重イオン衝突におけるトップクォーク対（$t\bar{t}$）生成は、核物理学における2つの異なる領域を調査するための重要なプローブとして機能する。すなわち、現在制約が不十分な運動学的領域における核子部分分布関数（nPDF）の特性評価と、強相互作用物質、特にクォーク・グルーオン・プラズマ（QGP）の時間発展の調査である。トップクォークは最も重いカラー荷電粒子であるが、重イオン環境（プロトン–鉛および鉛–鉛）におけるその生成は、本研究以前には完全には確立されておらず、高精度に測定もされていなかった。本研究は、プロトン–鉛（p+Pb）および鉛–鉛（Pb+Pb）衝突の両方において$t\bar{t}$生成を観測し、核修飾因子（$R_{pA}$）を用いてプロトン–プロトン（pp）の期待値からの偏差を定量化することを目的としている。

手法
解析には、大型ハドロン衝突型加速器（LHC）のRun 2期間中にATLAS検出器によって記録されたデータを使用する。

• p+Pb 衝突: 2016年に、核子–核子重心エネルギー$\sqrt{s_{NN}} = 8.16$ TeV、積分ルミノシティ165 nb$^{-1}$で収集されたデータを使用。解析では、レプトン＋ジェットおよびジレプトンチャネルにおいて$t\bar{t}$イベントを再構成する。

  • 選択: イベントは、単一電子または単一ミューオンのトリガー（$p_T > 15$ GeV）を要求する。レプトンは$p_T > 18$ GeVを満たし、特定の擬ラピディティ（$|\eta|$）および識別・孤立条件を満たす必要がある。ジェットはanti-$k_t$アルゴリズム（$R=0.4$）を用いて$p_T > 20$ GeVで再構成され、$b$ジェットはDL1rアルゴリズムを用いて識別される。
  • 背景事象推定: 偽レプトン（フェイクレプトン）の背景事象は、マトリックス法を用いて推定される。
  • 信号領域: レプトンとジェットの横運動量のスカラー和（$H_T^{\ell j}$）および$b$タグ付きジェットの数に基づき、6つの信号領域を定義する。これらは、レプトン＋ジェットチャネルにおける4つ（$1\ell1b$および$1\ell2b_{incl}$の電子およびミューオン）と、ジレプトンチャネルにおける2つ（$2\ell1b$および$2\ell2b_{incl}$）である。
  • 解析手法: プロファイル尤度フィットを用い、標準模型の期待値に対する観測された断面積の比として定義される信号強度（$\mu_{t\bar{t}}$）を抽出する。

• Pb+Pb 衝突: 2015年および2018年に、$\sqrt{s_{NN}} = 5.02$ TeV、積分ルミノシティ1.9 nb$^{-1}$で記録されたデータを使用。

  • 選択: 解析は、0–80%中心度区間における電子–ミューオン（$e\mu$）終状態に焦点を当てる。トリガーは、電子に対して$p_T > 15$ GeV、ミューオンに対して$p_T > 8$ GeVを要求する。候補粒子は、$p_T > 18$ GeV（電子）および$p_T > 15$ GeV（ミューオン）を満たし、「Loose」識別を満たす必要がある。
  • 背景事象処理: アンダーラインイベントの寄与はイベントごとに減算され、偽レプトンの寄与はデータ駆動型の手法を用いて推定される。
  • 信号領域: $e\mu$対の横運動量（$p_T^{e\mu}$）に基づき、2つの領域を定義する：SR1（$p_T^{e\mu} > 40$ GeV）およびSR2（$p_T^{e\mu} \le 40$ GeV）。
  • 解析手法: 両方の信号領域における$e\mu$不変質量（$m_{e\mu}$）分布に対して、プロファイル尤度フィットを行う。

主な貢献と結果

1. p+Pb の測定:

   • 観測: $t\bar{t}$生成は、レプトン＋ジェットおよびジレプトンの両チャネルにおいて、それぞれ5標準偏差を超える有意さで観測された。
   • 断面積: 包括的な$t\bar{t}$生成断面積は、$\sigma_{t\bar{t}}^{p+Pb} = 58.1^{+5.2}_{-4.9}$ nbと測定された。これは、全相対不確かさ9%を伴う、これまでの重イオン衝突における最も精密な$t\bar{t}$断面積測定である。
   • 核修飾因子: このプロセスに対する核修飾因子$R_{pA}$が初めて測定された。結果は$R_{pA} = 1.090 \pm 0.100$である。この値は、1標準偏差以内でスケーリングされたpp衝突の期待値と一致している。
   • 理論比較: 断面積および$R_{pA}$は、4つのnPDFセット（TUJU21, nNNPDF3.0, nCTEQ15HQ, EPELS21）による予測と一致している。

2. Pb+Pb の測定:

   • 観測: 本研究は、5.0標準偏差の有意さを達成し、Pb+Pb衝突における$t\bar{t}$生成の初観測を提示する。
   • 断面積: 0–100%中心度クラスにおける包括的な$t\bar{t}$生成断面積は、$\sigma_{t\bar{t}}^{Pb+Pb} = 3.6^{+1.2}_{-1.0}$ $\mu$bと決定された。全相対不確かさは31%であり、統計的寄与（26%）によって支配されている。
   • 理論比較: 測定された断面積は、Pb+Pb衝突におけるCMSの測定結果、および$\sqrt{s}=5.02$ TeVにおけるATLASのpp測定（$A_{Pb}^2$でスケーリング）と一致している。また、p+Pb解析で使用されたものと同じ4つのnPDFセットを用いた計算とも一致している。

意義
本論文は、トップクォーク対が重イオン衝突を調査するための価値あるツールであることを確立している。p+Pb測定の精度は、高Bjorken-$x$におけるnPDFに対する新たな制約を与える。さらに、Pb+Pb衝突における$t\bar{t}$生成の初観測は、トップクォークから派生するハドロン的Wボソン崩壊の研究を通じて、QGPの時間発展を探索するための新たな機会を開くものである。これらの結果は、LHCにおけるnPDFおよびQGP特性の将来の研究への道を開くものである。