Measurements of $t\bar{t}$ in association with charm quarks at 13 TeV with the ATLAS experiment

Met behulp van de volledige Run 2-dataset bij 13 TeV heeft de ATLAS-collaboratie haar eerste meting uitgevoerd van de inclusieve dwarsdoorsnede voor top-quarkpaarproductie in associatie met charm-quarks, waarbij werd vastgesteld dat hoewel de resultaten grotendeels overeenstemmen met diverse simulatievoorspellingen, alle modellen de geobserveerde waarden onderchatten.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als de krachtigste deeltjesvergruizer ter wereld. Wanneer wetenschappers protonen tegen elkaar aan laten botsen met bijna de snelheid van het licht, creëren ze een chaotische explosie van nieuwe deeltjes, vergelijkbaar met het tegen elkaar aan slaan van twee horloges en het kijken hoe de tandwieltjes, veren en glas alle kanten op vliegen.

Meestal zijn natuurkundigen op zoek naar de "zeldzame juweeltjes" in dit puin—exotische deeltjes die mogelijk nieuwe natuurwetten onthullen. Echter, er is een zeer voorkomende, rommelige achtergrondruis die het vinden van deze juweeltjes moeilijk maakt: topkwarkparen.

Het Probleem: De "Topkwark" Verkeersopstopping

Topkwarken zijn de zwaarste bekende elementaire deeltjes. Wanneer ze in paren worden geproduceerd (genaamd $t\bar{t}$), vervallen ze bijna altijd in andere deeltjes. Soms creëert dit proces per ongeluk extra zware deeltjes, zoals charmkwarken of bottomkwarken.

Beschouw een topkwarkpaar-gebeurtenis als een drukke snelweg. Normaal gesproken verwacht je alleen de hoofdauto's te zien (de topkwarken). Maar soms raakt de snelweg verstopt met extra bezorgwagens (charmkwarken). Deze vrachtwagens zijn een hinderlijke factor omdat ze erg lijken op de zeldzame "juweeltjes" die wetenschappers proberen te vinden (zoals het Higgsboson). Als je niet precies weet hoeveel vrachtwagens er normaal gesproken op de weg rijden, kun je niet onderscheiden of een nieuwe vrachtwagen gewoon normaal verkeer is of een speciale levering.

De Missie: Het Tellen van de "Charm" Vrachtwagens

Dit artikel beschrijft de eerste keer dat het ATLAS-experimententeam heeft geprobeerd exact te tellen hoeveel charmkwarken verschijnen naast topkwarkparen.

Voorheen hadden wetenschappers goede kaarten (theoretische voorspellingen) voor hoe vaak topkwarken verschijnen met bottomkwarken, maar hadden ze slechts zeer vage vermoedens over charmkwarken. Het was alsof je een stad probeert te navigeren met een perfecte kaart voor de hoofdwegen, maar zonder kaart voor de zijstraten.

Het Detectiewerk: De "Flavor-Tagging" Brillen

Om dit op te lossen, had het team een manier nodig om het verschil te zien tussen de verschillende soorten "vrachtwagens" (jets van deeltjes) die uit de botsing vliegen.

• De Uitdaging: Standaardinstrumenten zijn geweldig in het opsporen van bottomkwarken, maar slecht in het opsporen van charmkwarken.
• De Oplossing: Het team heeft een aangepast "flavor-tagging" algoritme gebouwd. Stel je voor dat je een bril met geavanceerde technologie opzet die elk deeltjes-jet direct kan labelen als "Light", "Charm" of "Bottom" met een hoge mate van vertrouwen. Dit stelde hen in staat om het puin te sorteren in specifieke stapels:
  1. Gebeurtenissen met twee of meer charm-jets.
  2. Gebeurtenissen met exact één charm-jet.

Het Experiment: Het Sorteren van het Puin

Het team analyseerde een enorme hoeveelheid data verzameld tussen 2015 en 2018 (140 "inverse femtobarns" aan data, wat een chique manier is om te zeggen: "een enorme berg botsingen"). Ze zochten naar specifieke patronen waarbij topkwarken vervielen in elektronen of muonen (lichtere neefjes van elektronen) en controleerden vervolgens het resterende puin op die charm-tags.

Ze richtten een "controlekamer" in met verschillende zones:

• Signal Regions: Waar ze de charm-rijke gebeurtenissen verwachtten te vinden.
• Control Regions: Waar ze niet verwachten dat charm aanwezig zou zijn, enkel om te controleren of hun schattingen van de achtergrondruis correct waren.

De Resultaten: De Kaart Was Dichtbij, Maar Er Naast

Na het verwerken van de cijfers stelde het team vast:

1. Ze vonden de charm: Ze hebben voor het eerst de snelheid gemeten waarmee topkwarkparen verschijnen met charmkwarken.
2. De voorspellingen waren dichtbij, maar laag: De theoretische modellen (de "kaarten") voorspelden hoe vaak dit gebeurt, en ze zaten in de buurt. Echter, elk model voorspelde minder gebeurtenissen dan wat er daadwerkelijk werd waargenomen.
   • Denk aan een weersvoorspelling die zegt: "er is een kans van 20% op regen," maar het regent eigenlijk 30% van de tijd. De voorspelling is niet fout over het feit dat het regent, maar onderschat hoeveel het regent.

De gemeten "doorsnede" (een maatstaf voor hoe waarschijnlijk een gebeurtenis is) was:

• Top + 2 Charm: 1,28 picobarn.
• Top + 1 Charm: 6,4 picobarn.

Waarom Dit Belangrijk Is

Dit gaat niet alleen over het tellen van deeltjes; het gaat over het opschonen van de ruis. Omdat deze "charm-rijke" topkwarkgebeurtenissen een belangrijke bron van achtergrondruis vormen voor andere zeldzame ontdekkingen, helpt een nauwkeurige telling om valse signalen eruit te filteren.

Het artikel concludeert dat hoewel onze huidige computersimulaties een behoorlijk werk doen, ze consequent het aantal geproduceerde charmkwarken onderschatten. Dit vertelt de theoretici: "Jullie kaarten moeten worden bijgewerkt; er rijden meer charm-vrachtwagens op de snelweg dan jullie dachten."

Kortom: Het ATLAS-team heeft aangepaste software gebruikt om te tellen hoe vaak zware "charm"-deeltjes verschijnen met topkwarken. Ze ontdekten dat de huidige theorieën iets te pessimistisch zijn en minder gebeurtenissen voorspellen dan de werkelijkheid laat zien. Deze nieuwe data zal helpen om de modellen te verfijnen die worden gebruikt bij de zoektocht naar nog zeldzamere fysica in de toekomst.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Metingen van $t\bar{t}$ in associatie met charm-quarks bij 13 TeV met het ATLAS-experiment

Probleem en Motivatie
Top-quark paarproductie ($t\bar{t}$) vergezeld door extra zware-smaak jets vormt een significante irreducibele achtergrond voor talrijke zeldzame Standaardmodel (SM) processen, zoals $t\bar{t}H$-productie met $H \to b\bar{b}$ vervallen en vier-top-quark productie. Hoewel theoretische berekeningen voor $t\bar{t} + b\bar{b}$ bestaan met next-to-leading order (NLO) nauwkeurigheid in kwantumchromodynamica (QCD), blijven de onzekerheden met betrekking tot renormalisatie- en factorisatieschalen aanzienlijk. Cruciaal is dat er momenteel geen toegewijde NLO-berekeningen beschikbaar zijn voor $t\bar{t} + c\bar{c}$ productie. Deze theoretische kloof vereist experimentele metingen om het begrip van deze eindtoestanden te verfijnen, waarbij extra zware-smaak jets voortkomen uit gluon-splitting in $b\bar{b}$ of $c\bar{c}$ paren, of uit initial-state straling.

Methodologie
Deze analyse maakt gebruik van de volledige Run 2 proton–proton botsingsdataset verzameld door het ATLAS-experiment bij $\sqrt{s} = 13$ TeV tussen 2015 en 2018, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 140 fb$^{-1}$. De meting richt zich op $t\bar{t}$-gebeurtenissen die één of twee geladen leptonen ($e$ of $\mu$) en ten minste één extra jet bevatten.

• Simulatie en Modellering: Signaal- en achtergrondprocessen worden gemodelleerd met behulp van Monte Carlo (MC) simulaties. Inclusieve $t\bar{t} + \ge 1c$ en $t\bar{t} + \text{light}$ processen worden gesimuleerd met het five-flavor scheme (5FS) met POWHEG BOX 2 geïntegreerd met PYTHIA 8 voor parton showering en hadronisatie. $t\bar{t} + b\bar{b}$ processen maken gebruik van een four-flavor scheme (4FS) matrix-element benadering. Gebeurtenissen worden gecategoriseerd op het niveau van stabiele deeltjes in vier onderscheidende groepen: $t\bar{t} + \ge 2c$, $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + \ge 2b$, en $t\bar{t} + \text{light}$.
• Flavour-Tagging: Een aangepast "b/c-tagger" algoritme werd ontwikkeld om $b$-jets en $c$-jets simultaan te identificeren, aangezien standaard ATLAS-algoritmen geen toegewijde $c$-tagging werkpunten hebben. Het algoritme geeft een tweedimensionale discriminant die vijf bins definieert: twee voor $c$-jets (bij 11% en 22% efficiëntie), twee voor $b$-jets (bij 60% en 70% efficiëntie), en één voor niet-getagde jets.
• Event Selectie en Fitting: De analyse maakt gebruik van single-electron en single-muon triggers om gebeurtenissen met één of twee leptonen te selecteren. Het single-lepton kanaal vereist $\ge 5$ jets, terwijl het dilepton kanaal $\ge 3$ jets vereist (waarbij ten minste drie voldoen aan specifieke tagging-criteria). De 19 orthogonale controlegebieden (CR's) en signaalgebieden (SR's) gedefinieerd door de b/c-tagger bins worden gebruikt om signaalsterktes te extraheren via een profile likelihood fit. Systematische onzekerheden, inclusief die gerelateerd aan modellering, het flavour-tagging algoritme en detector-effecten, worden behandeld als nuisance parameters.

Belangrijkste Bijdragen
Dit werk presenteert de eerste meting van de inclusieve dwarsdoorsnede voor $t\bar{t}$-productie in associatie met charm-quarks door de ATLAS Collaboratie. De primaire bijdrage is de simultane extractie van afzonderlijke fiduciale dwarsdoorsneden voor:

1. $t\bar{t} + \ge 2c$ (gebeurtenissen met ten minste twee $c$-jets, primair gericht op $t\bar{t} + c\bar{c}$).
2. $t\bar{t} + 1c$ (gebeurtenissen met exact één extra $c$-jet, afkomstig van $t\bar{t} + 1c$, $t\bar{t} + c\bar{c}$ met één jet buiten de acceptatie, of $t\bar{t} + c\bar{c}$ waar jets geclusterd zijn).

Resultaten
De analyse vertoont een goede overeenstemming tussen data en simulatie, met een fit-compatibiliteit van 98%. De gemeten fiduciale dwarsdoorsneden zijn:

• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + \ge 2c) = 1.28^{+0.27}_{-0.24}$ pb
• $\sigma_{\text{fid}}(t\bar{t} + 1c) = 6.4^{+1.0}_{-0.9}$ pb

De dominante bronnen van onzekerheid zijn de modellering van $t\bar{t} + \ge 1c$, $t\bar{t} + \ge 1b$, en $t\bar{t} + \text{light}$ processen (specifiek NLO matching en parton showering), onzekerheden in de b/c-tagger prestaties, en data statistiek.

Wanneer vergeleken met diverse NLO+PS voorspellingen van inclusieve $t\bar{t} + \text{jets}$ en $t\bar{t} + b\bar{b}$ simulaties:

• Alle theoretische voorspellingen onderschatten de geobserveerde waarden.
• De POWHEG BOX 2 + PYTHIA 8 voorspellingen komen overeen met de meting binnen 1.1 standaarddeviaties wanneer schaal- en PDF-variaties worden in acht genomen.
• POWHEG BOX 2 + HERWIG 7 en MADGRAPH5_AMC@NLO + HERWIG 7 voorspellingen tonen overeenstemming binnen 1.2 tot 2.0 standaarddeviaties.

Daarnaast zijn de ratio's van de $t\bar{t} + \ge 2c$ en $t\bar{t} + 1c$ dwarsdoorsneden ten opzichte van de totale inclusieve $t\bar{t} + \text{jets}$ dwarsdoorsnede gemeten in zowel fiduciale als inclusieve volumes, waarbij consistentie met NLO+PS simulaties werd gevonden op een niveau vergelijkbaar met de absolute dwarsdoorsnede metingen.

Significantie
Het artikel claimt significantie primair door het bieden van de eerste experimentele beperkingen op $t\bar{t} + \text{charm}$ productie dwarsdoorsneden. Deze metingen adresseren een gat in theoretische berekeningen (specifiek het gebrek aan toegewijde $t\bar{t} + c\bar{c}$ berekeningen) en verbeteren het begrip van zware-smaak jet achtergronden. Hoewel de resultaten grotendeels consistent zijn met bestaande simulatiemodellen, benadrukt de observatie dat alle modellen de data onderschatten gebieden voor potentiële verfijning in QCD-modellering, met name met betrekking tot gluon-splitting in $c\bar{c}$ paren. De precisie van de meting wordt momenteel beperkt door modelleringsonzekerheden en de statistische kracht van de dataset.