Measurement of differential $t$-channel single top (anti)quark production cross-sections at 13 TeV with the ATLAS detector

Met gebruik van de volledige Run 2-dataset van 140 fb$^{-1}$ verzameld door de ATLAS-detector bij 13 TeV, presenteert deze studie differentiële metingen van de $t$-kanaal single top en top-antiquark productiedoorsnedes, waarbij een goede overeenstemming met theoretische voorspellingen wordt gevonden en beperkingen worden gesteld aan de Wilson-coëfficiënt $C_{Qq}^{3,1}$ binnen een effectieve veldentheorie-kader.

De kern

Stel je de Large Hadron Collider (LHC) voor als de krachtigste, snelste deeltjesracebaan ter wereld. Binnen deze ring laten wetenschappers protonen tegen elkaar botsen met bijna de snelheid van het licht om te zien wat er gebeurt wanneer de bouwstenen van het universum met elkaar botsen.

Dit artikel is een gedetailleerd rapportcijfer van het ATLAS-experiment, een van de gigantische detectoren die deze botsingen in de gaten houdt. Het team bestudeert een zeer specifieke, zeldzame gebeurtenis: de creatie van een enkel topkwark.

Het Grote Plaatje: Een Naald in een Hooiberg Zoeken

Topkwarken zijn de zwaarste bekende elementaire deeltjes. Meestal worden ze in paren (als tweelingen) gecreëerd wanneer protonen botsen. Maar soms, door een specifiek "uitwisselingsproces" waarbij een virtueel deeltje genaamd een W-boson betrokken is, komt er een enkel topkwark (of zijn antimaterie-tweeling, het top-anti-kwark) uit zichzelf tevoorschijn.

Denk hierbij aan een potjes biljart. Normaal gesproken, wanneer je een bal raakt, krijg je misschien twee rollende ballen. Maar in dit specifieke "t-kanaal" spelletje raakt één bal een andere, en wisselen ze een keu (het W-boson), waardoor er slechts één nieuwe bal van de tafel afvliegt. De wetenschappers wilden precies meten hoe vaak dit gebeurt en hoe snel deze "eenzame" topkwarken bewegen.

De Data: Een Massieve Bibliotheek van Botsingen

De onderzoekers keken niet naar slechts een paar botsingen; ze analyseerden data van 2015 tot 2018. Dit komt overeen met 140 inverse femtobarns aan data. Om dit in perspectief te plaatsen: als een femtobarn een enkel zandkorrel is, dan is deze dataset een berg zand. Ze hebben miljarden botsingen doorgezocht om de paar duizend te vinden die de specifieke "handtekening" bevatten van een enkel topkwark-event:

• Eén geïsoleerd elektron of muon (een zware neef van het elektron).
• Veel "ontbrekende" energie (meegenomen door onzichtbare neutrino's).
• Precies twee jets van deeltjes, waarvan er één afkomstig is van een bottomkwark (een "b-getagde" jet).

De Uitdaging: De Bende Opruimen

Het probleem is dat het "signaal" (het topkwark) begraven ligt onder een berg "achtergrondruis" (andere veelvoorkomende deeltjesbotsingen die er vergelijkbaar uitzien).

Om dit op te lossen, gebruikte het team een Neuraal Netwerk (NN). Denk aan dit als een hoogopgeleide digitale detective. Het werd geleerd om naar de vormen, snelheden en hoeken van de deeltjes in een botsing te kijken en een "verdachtheids-score" toe te kennen. Als de score hoog genoeg was, werd het event behouden; als deze laag was, werd het weggegooid. Dit stelde hen in staat om de zeldzame topkwark-events met hoge precisie te scheiden van de veelvoorkomende achtergrondruis.

De Meting: Het Terrein In kaart Brengen

Zodra ze de events hadden geïsoleerd, telden de wetenschappers ze niet alleen. Ze wilden weten waar en hoe snel deze topkwarken gingen. Ze maten de "doorsnede" (een chique woord voor de waarschijnlijkheid dat de gebeurtenis plaatsvindt) op twee manieren:

1. Absoluut: Hoeveel events er in totaal plaatsvonden.
2. Genormaliseerd: Welk percentage van de totale events in specifieke snelheid- of positiebereiken viel.

Ze brachten deze events in kaart op basis van:

• Transversale impuls ($p_T$): Hoe hard het topkwark zijwaarts beweegt.
• Rapiditeit ($|y|$): Hoe ver voorwaarts of achterwaarts het topkwark reist ten opzichte van de bundel.

Ze deden dit apart voor topkwarken en top-anti-kwarken. Waarom? Omdat protonen zijn gemaakt van verschillende ingrediënten (meer "up"-kwarken dan "down"-kwarken). Theoretisch gezien zou het creëren van een topkwark iets makkelijker moeten zijn dan het creëren van een top-anti-kwark. De data bevestigden dit, door een hogere frequentie voor tops dan voor anti-tops te laten zien.

De Resultaten: Theorie versus Realiteit

Het team vergeleken hun metingen met de beste beschikbare theoretische voorspellingen, die als complexe wiskundige recepten dienen voor hoe het universum zou moeten zich gedragen.

• Het oordeel: De metingen kwamen zeer goed overeen met de voorspellingen. De "recepten" (specifiek die gebruikmaken van Next-to-Next-to-Leading Order berekeningen) waren accuraat.
• De beperking: Hoewel de match goed was, konden de wetenschappers het verschil tussen verschillende versies van de recepten nog niet onderscheiden omdat hun eigen meting "wazigheid" (systematische onzekerheden) nog te groot was. Het is also�kelijk proberen een fluistering te horen in een lawaaierige kamer; je weet dat iemand spreekt, maar je kunt de specifieke woorden nog niet goed verstaan.

De Twist: Zoeken naar Nieuwe Fysica

Ten slotte gebruikten het team hun data om te testen op "Nieuwe Fysica" met behulp van een kader genaamd Effectieve Veldtheorie (EFT).

• De analogie: Stel je voor dat het Standaardmodel (onze huidige beste theorie) een perfecte kaart van een stad is. EFT vraagt: "Wat als er geheime tunnels of verborgen sluiproutes zijn die we nog niet kennen?"
• De test: Ze zochten naar een specifiek type "sluiproute" die betrokken is bij een vier-kwark interactie. Als deze sluiproute zou bestaan, zou dit de snelheidverdeling van de topkwarken veranderen, vooral van de zeer snelle varianten.
• Het resultaat: Ze vonden geen bewijs voor deze geheime tunnels. Ze stelden een strikte limiet aan hoe groot deze "sluiproutes" maximaal zouden kunnen zijn, waarmee ze eerdere limieten verbeterden. Ze moesten ook rekening houden met het feit dat als deze sluiproutes wel zouden bestaan, ze ook de manier waarop de events opgemerkt worden (de "selectie-efficiëntie") zouden veranderen, en zij corrigeerden hiervoor in hun berekeningen.

Samenvatting

In eenvoudige bewoordingen is dit artikel een hoogwaardige audit van hoe enkel topkwarken worden gecreëerd bij de LHC. Het ATLAS-team heeft de snelheid en richting van deze deeltjes succesvol in kaart gebracht, bevestigd dat onze huidige natuurkundige theorieën correct werken, en de regels aangescherpt voor waar "nieuwe fysica" zich mogelijk verbergt. Ze hebben geen nieuwe deeltjes gevonden, maar ze hebben bewezen dat het universum zich exact gedraagt zoals onze beste kaarten voorspellen, zelfs onder deze extreme omstandigheden.

Technische samenvatting

Technische Samenvatting: Meting van differentiële $t$-kanaal enkelvoudige top-(anti)quark productie dwarsdoorsneden bij 13 TeV met de ATLAS-detector

Probleem en Motivatie
De productie van enkelvoudige topquarks via de $t$-kanaal uitwisseling van een virtueel $W$-boson is een fundamenteel proces in het Standaardmodel (SM), dat een directe sonde biedt naar de eigenschappen van de topquark en de $Wtb$-koppeling. Hoewel totale dwarsdoorsneden zijn gemeten bij verschillende LHC-energieën, bieden differentiële metingen diepere inzichten in partonverdelingsfuncties (PDF's), specifiek de $u/d$-quarkverhouding en de $b$-quarkdichtheid. Bovendien zijn precieze differentiële verdelingen essentieel voor het testen van het SM tegen hogere-orde Kwantumchromodynamica (QCD)-voorspellingen en voor het beperken van physics voorbij het Standaardmodel (BSM) via Effectieve Veldtheorie (EFT). Eerdere metingen bij $\sqrt{s}=13$ TeV werden beperkt door gedeeltelijke datastalen of gecombineerde $tq$- en $\bar{t}q$-analyses. Dit artikel adresseert de behoefte aan een hoog-precieze, aparte meting van differentiële $tq$- en $\bar{t}q$-dwarsdoorsneden met behulp van de volledige Run 2-dataset, waarbij het kinematische bereik wordt uitgebreid en de beperkingen op EFT-operatoren worden verbeterd.

Methodologie
De analyse maakt gebruik van proton-proton botsingsdata die zijn opgenomen door de ATLAS-detector tussen 2015 en 2018 bij een middelpunt van massa van $\sqrt{s}=13$ TeV, wat overeenkomt met een geïntegreerde luminositeit van 140 fb$^{-1}$.

• Event Selectie: Signalevents worden gekenmerkt door het leptonische verval van de topquark, waarbij exact één geïsoleerde elektron of muon ($p_T > 28$ GeV), grote ontbrekende transversale momentum ($E_T^{miss} > 30$ GeV) en exact twee jets vereist zijn. Eén jet moet $b$-getagd zijn (geïdentificeerd via het DL1r-algoritme met een 60% efficiëntie werkpunt) en moet een $|\eta| < 2.5$ hebben. Om multijet achtergronden te onderdrukken, worden kinematische eisen toegepast, waaronder $m_T(W) > 50$ GeV en een specifieke eis op de azimutale hoek tussen het lepton en de leidende jet.
• Signaalextractie: Een Neuraal Netwerk (NN), getraind op kinematische variabelen om signaal van achtergrond te onderscheiden, wordt ingezet. Een vereiste van $D_{nn} > 0.93$ wordt opgelegd om een hoge signaalzuiverheid te bereiken, waarbij de analyse wordt opgesplitst in twee signaalregio's op basis van de leptonlading ($\ell^+$ voor $tq$ en $\ell^-$ voor $\bar{t}q$).
• Achtergrondschatting: Achtergronden van $t\bar{t}$, enkelvoudige top ($s$-kanaal, $tW$), dibosonen, en $W/Z$+jets worden geschat met behulp van Monte Carlo (MC) simulaties genormaliseerd via een simultane profiel maximum-似似heid fit. Multijet achtergronden worden geschat met een combinatie van data-gedreven technieken en gesimuleerde dijet-monsters.
• Unfolding: Gemeten verdelingen worden gecorrigeerd voor detectoreffecten (resolutie, acceptatie, efficiëntie) met behulp van de iteratieve unfolding-methode van D'Agostini. De verdelingen worden geunfolded naar het parton-niveau voor stabiele topquarks en geëxtrapoleerd naar de volledige kinematische faseruimte.
• Theoretische Vergelijking: Resultaten worden vergeleken met SM-voorspellingen op NLO en NNLO met behulp van diverse matrix-element generatoren (Powheg Box, MG_aMC@NLO), parton-shower programma's (Pythia 8, Herwig 7) en PDF-sets (NNPDF, MSHT, CT, ABMP, ATLASPDF).
• EFT Interpretatie: De differentiële dwarsdoorsneden als functie van de transversale momentum van de topquark ($p_T(t)$) worden geïnterpreteerd binnen het Standaardmodel Effectieve Veldtheorie (SMEFT) kader. De analyse beperkt de Wilson-coëfficiënt $C_{Qq}^{3,1}$ geassocieerd met een vier-quark operator ($O_{Qq}^{3,1}$), waarbij expliciet rekening wordt gehouden met de impact van niet-nul Wilson-coëfficiënten op de selectie-efficiëntie en kinematische acceptatie.

Belangrijkste Bijdragen

1. Eerste Afzonderlijke Differentiële Meting: Dit werk presenteert de eerste afzonderlijke meting van differentiële $tq$- en $\bar{t}q$ productie dwarsdoorsneden bij $\sqrt{s}=13$ TeV, evenals de eerste meting van hun ratio als functie van $p_T$ en rapiditeit $|y|$.
2. Uitgebreid Kinematisch Bereik: De meting breidt het $p_T(t)$ of $p_T(\bar{t})$ bereik uit tot 500 GeV, een significante verbetering ten opzichte van eerdere metingen die beperkt waren tot 300 GeV.
3. Verbetering van Precisie: Door gebruik te maken van de volledige Run 2-dataset (140 fb$^{-1}$), bereikt de analyse een precisie van 3% tot 6% voor genormaliseerde differentiële dwarsdoorsneden als functie van $|y|$, wat een verbetering is ten opzichte van de 7% tot 15% precisie van eerdere 8 TeV metingen.
4. EFT Beperkingen met Acceptatiecorrectie: De analyse biedt een innovatieve interpretatie in het SMEFT-kader die de invloed van de vier-quark operator op de selectie-efficiëntie meeneemt, een factor die vaak wordt genegeerd in inclusieve metingen.

Resultaten

• Dwarsdoorsnede Metingen: De absolute en genormaliseerde differentiële dwarsdoorsneden voor $tq$- en $\bar{t}q$-productie worden gemeten als functies van $p_T(t)$, $p_T(\bar{t})$, $|y(t)|$, en $|y(\bar{t})|$. De ratio van de dwarsdoorsneden wordt eveneens gemeten.
• Vergelijking met Theorie: Over het algemeen wordt een goede overeenstemming waargenomen tussen de metingen en theoretische voorspellingen.
  • Fixed-order berekeningen bij LO (MCFM) slagen er niet in de $p_T$-spectra te beschrijven, zoals verwacht vanwege ontbrekende gluonstraling.
  • NLO en NNLO voorspellingen vertonen zeer goede overeenstemming met de data, waarbij NNLO over het algemeen een betere fit biedt.
  • Voorspellingen met verschillende PDF-sets komen overeen binnen de meetonzekerheden, hoewel de ABMP16 set een lagere waarschijnlijkheid laat zien voor de $\bar{t}q$ dwarsdoorsnede in de $|y(\bar{t})|$ verdeling en de dwarsdoorsnede ratio overschat.
• Onzekerheden: De metingen worden gedomineerd door systematische onzekerheden, primair afkomstig van signaalmodellering en experimentele bronnen (jet energie schaal, $b$-tagging). Statistische onzekerheden worden pas significant in het hoge-$p_T$ gebied en voor de dwarsdoorsnee ratio's.
• EFT Beperkingen: De interpretatie van de $p_T$-verdelingen beperkt de Wilson-coëfficiënt $C_{Qq}^{3,1}/\Lambda^2$. Het 95% betrouwbaarheidsinterval wordt bepaald tot $-0.12 \text{ TeV}^{-2} < C_{Qq}^{3,1}/\Lambda^2 < 0.12 \text{ TeV}^{-2}$.

Significantie
Het artikel stelt dat deze analyse het begrip van enkelvoudige topquark productie aanzienlijk vooruithelpt door de meest precieze differentiële metingen tot nu toe bij 13 TeV te leveren. De resultaten valideren de SM-voorspellingen bij NNLO en beperken de $u/d$-quarkverhouding in het proton. Cruciaal is dat de EFT-interpretatie aantoont dat het rekening houden met veranderingen in acceptatie door BSM-operatoren essentieel is voor het afleiden van accurate beperkingen. De verkregen limieten op de vier-quark operator $O_{Qq}^{3,1}$ verbeteren de eerdere beperkingen afgeleid van de inclusieve totale dwarsdoorsnede meting, wat de gevoeligheid van differentiële verdelingen voor nieuwe fysica-effecten benadrukt. Het artikel concludeert dat de meting wordt beperkt door systematische onzekerheden, wat suggereert dat toekomstige verbeteringen zullen afhangen van betere modellering van signaalprocessen en detectorprestaties.