Cross-section measurements for the production of a $W$-boson in association with high-transverse-momentum jets in $pp$ collisions at $\sqrt{s}$= 13 TeV with the ATLAS detector

技术摘要：ATLAS 探测器在 $\sqrt{s}=13$ TeV 的 pp 碰撞中，与高横向动量喷注关联产生的 W 玻色子截面测量

问题与动机
W 玻色子与喷注（$W$+jets）的产生是大型强子对撞机（LHC）上广泛分析中的一个重要不可约背景，包括希格斯玻色子和顶夸克测量，以及超越标准模型（BSM）的新物理搜索。在宽能量范围内对该过程进行精确的理论建模，对于 LHC 物理计划的成功至关重要。虽然领先阶（LO）描述在某些机制下已足够，但在产生与高动量喷注关联的 W 玻色子过程中涉及复杂的 QCD 动力学。在次领头阶（NLO）下，会出现新的部分子散射拓扑结构，特别是涉及伴随实辐射 W 玻色子的双喷注产生过程。这些贡献导致产生率出现“共线增强”（collinear enhancements），其正比于 $\alpha_s \ln^2(p_T^{\text{closest jet}}/m_W)$，这在多 TeV 的运动学范围内难以建模。此前在 8 TeV 和 13 TeV 初期数据的测量受限于统计量或相空间覆盖范围。本文旨在利用完整的 Run 2 数据集，通过在高动量机制下的精确测量，来探测高阶理论预测，并改进通常在物理新发现搜索中探索的运动学变量的建模。

方法论
本分析利用了 ATLAS 探测器在质心能量 $\sqrt{s}=13$ TeV 下收集的 140 fb$^{-1}$ 质子-质子碰撞数据。研究重点在于 W 玻色子衰变为电子或缪子加中微子的事件，且该过程伴随有横向动量 $p_T > 30$ GeV 的喷注产生，其中要求领先喷注的 $p_T > 500$ GeV。

• 事件选择与区域： 分析定义了一个“包含性”（inclusive）区域和三个基于轻子与最近的 $p_T > 100$ GeV 喷注之间的角距离 $\Delta R_{\min}(\ell, \text{jet}_{100})$ 的子区域。 “共线”（collinear）区域（$\Delta R < 2.6$）由 $W$+$\ge$2-jet 过程和辐射 W 玻色子的双喷注事件主导；而“背对背”（back-to-back）区域（$\Delta R > 2.6$）则由 LO $W$+1-jet 过程主导。此外还定义了一个“包含性 2-喷注”（inclusive 2-jet）区域。
• 背景估计： 主要背景（$t\bar{t}$、$Z$+jets 和多喷注）使用半数据驱动技术进行估计。归一化因子通过富含这些特定过程的专用控制区提取（例如，要求 $b$-标记喷注以识别 $t\bar{t}$，或要求同味异号双轻子以识别 $Z$+jets）。多喷注背景通过基于轻子隔离度和影响参数失效的数据驱动方法进行估计。
• 解卷积（Unfolding）： 利用迭代贝叶斯技术将探测器效应解卷积至粒子能级。粒子能级定义包括“着装”（dressed）轻子（轻子加上 $\Delta R=0.1$ 内的辐射光子）以及从末态粒子聚类而成的喷注。解卷积过程对效率、接受度和分辨率效应进行了修正。
• 理论比较： 将测量的微分分布与最先进的理论预测进行比较：
  • 多腿合并蒙特卡洛生成器：Sherpa 2.2.11（对于最多 2 个喷注为 $\alpha_s$ 的 NLO，对于最多 5 个喷注为 LO）以及与 Pythia8 接口的 MadGraph5_aMC@NLO（对于最多 3 个喷注为 NLO）。
  • 固定阶计算：使用 MCFM 程序计算的 $W$+1-jet 在 $\alpha_s$ 下的次次领头阶（NNLO）结果。
  • 电弱修正：使用 Sherpa 预测评估 NLO 电弱虚拟（EW$_{\text{vert}}$）修正的影响。

主要贡献与结果
本文给出了高 $p_T$ 机制下 $W$+jets 产生的包含性和微分截面测量。

• 包含性截面： 在包含性、包含性 2-喷注、共线和背对背区域测得的拟定截面与数据吻合良好。测量的总不确定度约为 3%–4%，主要由系统不确定度（背景建模、喷注能量标度及 $b$-标记）主导。
• 微分分布：
  • 共线 vs. 背对背： 对 $\Delta R_{\min}(\ell, \text{jet}_{100})$ 和比值 $p_T^{\ell\nu}/p_T^{\text{closest jet}}$ 的测量成功区分了共线和背对背拓扑结构。多腿合并生成器（Sherpa 和 MadGraph5_aMC@NLO）对这些变量的数据提供了极佳的描述。
  • 高 $p_T$ 机制： 给出了领先喷注 $p_T$（高达 1.5 TeV）、喷注多重性、喷注横向动量标量和（$S_T$）以及 $W$ 玻色子候选者 $p_T$（$p_T^{\ell\nu}$）的微分测量。
  • 固定阶 vs. 合并： 对于 $W$+1-jet 的 NNLO MCFM 固定阶预测，在背对背区域提供了与测量不确定度精度相当的精确描述。然而，在具有大角距离或高喷注多重性的区域（即 $W$+$\ge$2-jet 过程占主导地位的区域），MCFM 预测低估了截面，这与其形式精度一致。
  • 电弱修正： 在 Sherpa 预测中加入 NLO EW$_{\text{virt}}$ 修正会导致包含性截面整体下降 10%–12%。这些修正显著改善了理论与数据在共线区域以及高 $p_T^{\ell\nu}$ 间隔（此处 Sudakov 对数诱导了大的负修正）处的符合程度。相反，它们会导致背对背区域的截面被低估。
  • 不变质量 ($m_{jj}$)： 在包含性 2-喷注区域，所有理论预测在 $m_{jj} > 2$ TeV 时均超出了其系统不确定度，高估了截面。

意义
本文声称，所呈现的测量结果是一个极佳的数据样本，用于探测同时存在辐射 W 玻色子的双喷注事件和伴随多个喷注产生 W 玻色子事件的相空间中的高阶理论预测。结果表明：

1. 最先进的多腿合并蒙特卡洛生成器能够对包括高喷注多重性在内的广泛观测变量下的 $W$+jets 产生过程提供稳健的描述。
2. $W$+1-jet 的 NNLO 固定阶计算在其有效范围内是精确且准确的，但需要更高多重性的贡献来描述整个相空间。
3. NLO 电弱修正对于准确模拟高动量尾部的分布（特别是在共线机制下）是必不可少的。
4. 通过 HEPData 和 Rivet 公开的数据将有助于改进这些高能事件的理论描述，直接受益于未来 LHC 上希格斯、顶夸克及 BSM 搜索的背景建模。