Precise measurement of the $t\bar{t}$ production cross-section and lepton differential distributions in $eμ$ dilepton events

技術要約：$e\mu$ ダイレプトン事象における $t\bar{t}$ 生成断面積およびレプトン微分分布の精密測定

問題と動機
トップクォーク対（$t\bar{t}$）生成の研究は、到達可能な最高エネルギー・スケールにおける量子色力学（QCD）の極めて重要なプローブとして機能する。トップクォークはその大きな質量ゆえに、電弱対称性の破れのスケールに近い位置にあり、標準模型（SM）の中で独特な地位を占めている。さらに、$t\bar{t}$ 生成は、標準模型を超える物理（BSM）の探索において重要な背景事象となる。$t\bar{t} \to W^+bW^-\bar{b} \to e^+\mu^-\nu\bar{\nu}b\bar{b}$ 崩壊チャネルにおける包括的断面積（$\sigma_{t\bar{t}}$）の先行測定は精度が向上してきているが、本解析では、LHCにおけるATLAS実験によって収集されたRun 2の全データセットを用いて、これらの測定のさらなる精緻化を目指す。

手法
本解析では、重心エネルギー $\sqrt{s} = 13$ TeV における 140 fb$^{-1}$ の陽子–陽子衝突データを利用する。イベント選択は $e\mu$ ダイレプトンチャネルに焦点を当て、異符号の電子・ミューオン対および $b$ タグ付きジェットを要求する。ジェットは半径パラメータ $R = 0.4$ の anti-$k_t$ アルゴリズムを用いて再構成され、$b$ タギングは、トラックのインパクトパラメータと再構成された二次頂点を組み込んだ深層学習技術に基づく多変量識別子を用いて行われる。

誤識別されたレプトンの背景事象を推定するために、同符号の $e\mu$ ペアを利用する。中心となる測定にはダブルタギング手法を用い、異符号サンプル内で正確に1つ（$N_1$）および正確に2つ（$N_2$）の $b$ タグ付きジェットを持つイベントをカウントする。これらのカウントは、積分ルミノシティ（$L$）、$t\bar{t}$ イベントが $e\mu$ 選択を通過する効率（$\epsilon_{e\mu}$）、$b$ タギング効率（$\epsilon_b$）、およびタギング相関係数（$C_b$）を含むタギング方程式の系によって制御される。これらの方程式を解くことで、包括的断面積 $\sigma_{t\bar{t}}$ と相関係数が決定される。

また、粒子レベルのレプトンが $p_T > 20$ GeV および $|\eta| < 2.5$ を満たす事象に対するフィデューシャル断面積（$\sigma_{t\bar{t}}^{\text{fid}}$）も導出される。さらに、$t\bar{t} \to e\mu$ プロセスおよび $e\mu b\bar{b}$ ファイナルステートの両方について、レプトンおよびダイレプトンの運動学的変数に関する10個の単一微分断面積および3個の二重微分断面積を測定する。

主要な貢献と結果
主要な結果は、包括的な $t\bar{t}$ 生成断面積の精密な決定である：
$$\sigma_{t\bar{t}} = 829.3 \pm 1.3 \text{ (stat)} \pm 8.0 \text{ (syst)} \pm 7.3 \text{ (lumi)} \pm 1.9 \text{ (beam)} \text{ pb}$$
この結果は、トップクォーク質量 $m_t = 172.5$ GeV に対して報告される。この測定は全Run 2データセットを利用しており、レプトン効率の精密な較正と、POWHEG-BOX MiNNLO イベントジェネレータを用いたレプトン運動学の改良されたモデリングの恩恵を受けている。

二次的に重要な成果は、トップクォークの極限質量（$m_t^{\text{pole}}$）の抽出である。予測される断面積の $m_t^{\text{pole}}$ への強い依存性を利用し、測定された $\sigma_{t\bar{t}}$ との適合性を最大化するためにベイズ尤度定式化が用いられる。これにより以下が得られる：
$$m_t^{\text{pole}} = 172.8^{+1.5}_{-1.7} \text{ GeV}$$
この抽出には、トップクォークのデータを入力から除外した NNPDF3.1_notop パートン分布関数セットが使用されており、これにより独立した制約が提供される。

微分測定により、特定のフィデューシャル領域において、正規化された分布に対して 0.3% という極めて低い不確かさが達成された。イベントジェネレータとの比較により、最新のジェネレータ、特に Powheg MiNNLO および Powheg bb4l が、従来の Powheg hvq プロセスよりもレプトン運動学をより正確にモデルしていることが示された。

意義
本論文は、これらの測定がハドロン衝突器におけるトップクォーク生成のモデリングを精緻化するための高精度な入力となることを主張している。現代的なイベントジェネレータ（MiNNLO, bb4l）が、レプトン運動学を記述する上で伝統的な手法よりも優れた性能を示すことを実証することで、本結果は将来の理論開発のためのベンチマークを提供する。$\sigma_{t\bar{t}}$ の精密な決定およびそれに続く $m_t^{\text{pole}}$ の抽出は、標準模型の厳密な検証と、新物理探索における $t\bar{t}$ 関連の背景事象推定における系統的不確かさの低減に寄与する。