ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА, 2015, том 78, № 7-8, с. 647-651
= ЭЛЕМЕНТАРНЫЕ ЧАСТИЦЫ И ПОЛЯ
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ДРЕЛЛА-ЯНА В ЭКСПЕРИМЕНТЕ CMS НА LHC
© 2015 г. И. Н. Горбунов*, C. В. Шматов**
Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия Поступила в редакцию 04.12.2014 г.
Представлены результаты изучения образования пар лептонов при обмене y* /Z в столкновении протонов на LHC. Приведены данные по измерению в эксперименте CMS дифференциальных и дважды дифференциальных сечений процессов Дрелла—Яна (da/dM и da/dMdY), асимметрии "вперед-назад" AFB и слабого угла смешивания sin2 0w- Полученные результаты в пределах ошибок совпадают с предсказаниями стандартной модели.
DOI: 10.7868/S0044002715060057
1. ВВЕДЕНИЕ
Изучение закономерностей рождения лептон-ных пар в процессах Дрелла—Яна [1], qq — — y*/Z — l+l-, позволит проверить предсказания стандартной модели взаимодействия элементарных частиц (СМ) в новой области энергии и выполнить поиск "новой" физики за рамками СМ [2]. Величины сечений рождения пар лептонов и асимметрия вылета лептонов в этих процессах Afb зависят от значений векторной и аксиально-векторной констант связи фермионов и Z-бозона gv и gA, следовательно, они чувствительны к наличию дополнительных вкладов в процессы СМ. Поэтому возможное отличие измеренных значений этих характеристик от предсказаний СМ может указывать на существование процессов за рамками СМ — новых нейтральных калибровочных бозонов, внутренней структуры кварков и лептонов, суперсимметричных частиц или дополнительных пространственных измерений. Также измерение дифференциальных сечений и Afb может дать указание на правильность нашего понимания функций распределения кварков и глюонов (PDF). Более того, измерение асимметрии в Z-полюсе позволяет определить значения слабого угла смешивания sin2 6W.
В настоящей работе представлены результаты измерений дифференциальных и дважды дифференциальных сечений процессов Дрелла—Яна (da/dM и da/dMdY) в канале с парой электронов и мюонов, а также асимметрии Afb и слабого угла смешивания sin2 6w, выполненных в эксперименте
E-mail: Ilya.Gorbunov@cern.ch
E-mail: Sergei.Shmatov@cern.ch
"Компактный мюонный соленоид" (CMS) [3] при энергии сталкивающихся пучков протонов Большого адронного коллайдера (LHC) y/s = 7 ТэВ в с.ц.м.
2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОЕ СЕЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ДРЕЛЛА-ЯНА
Измерение сечений процессов Дрелла-Яна проводилось в каналах с парой электронов и парой мюонов на статистике, соответствующей полной интегральной светимости Lint = 4.8 и 4.5 фбн-1.
Эффективный отбор событий с парами мюонов осуществлялся в интервале значений псевдобыстроты \п\ <2.1, при этом поперечный импульс рт лидирующего мюона должен быть не менее 14 ГэВ/с, а для второго мюона требовалось выполнение условия рт > 9 ГэВ/с. Электроны отбирались в интервале псевдобыстрот \п\ < 1.44 или 1.57 < \т]\ < 2.5 с минимальной поперечной энергией лидирующего и вторичного электронов Ет = 25 и 10 ГэВ соответственно. Детали реконструкции и отбора событий даны в работе [4].
Для сравнения полученных результатов с предсказаниями СМ, а также определения эффективности реконструкции и отбора событий было выполнено моделирование как сигнальных, так и фоновых событий. Сигнальный (Z/j* — ц+ц-, e+e-) и фоновый (Z/j* — т+т-) процессы были смоделированы на основе вычислений в первом порядке теории возмущений (NLO) с помощью генератора POWHEG [5]. Учет второго порядка теории возмущений (NNLO) осуществлялся методом "перевзвешивания" событий в различных интервалах быстроты Y и поперечного момента рт
648
ГОРБУНОВ, ШМАТОВ
CMS
г JLdt = 4.8 фбн ее, JLdt = 4.5 фбн \ цц, Js = 7 ТэВ
10-
га 10-
о
1-4
Ä 10-5 £
10-
10-9
d
8 1.5
d 1.0
о
м 0 5
0 0.5
& 1.5 1.0
5 0.5
м
со
Y*/Z ^ ee, цц
■ »
X
Data
ч
FEWZ, NNLO CT10 + LO EW
J_I................................I_I_I_I_L_
J_I_I...............................I_I_I_I_L_
15
30
60
120
240
600
T
1500 M, ГэВ
Рис. 1. Дифференциальное сечение (1/^г)йа/йЫ рождения пар лептонов (е+е- и ) в процессах Дрелла—Яна [4]. На нижних рисунках приведено сравнение экспериментальных данных и предсказаний СМ в первом и втором порядках теории возмущений.
лептоннои пары на основе вычислении генератора FEWZ [6]. Моделирование партонных ливнеИ проводилось генератором PYTHIA v6.2.24 [7] с NLO-функциями распределения партонов (PDF) CT10 [8] и настроИками параметров на данных LHC [9]. Кроме того, генератор PYTHIA использовался для моделирования фоновых процессов — рождения пар WW, WZ, Zz, а также процессов рождения струИ в КХД. Для других фоновых процессов применялись TAUOLA [10] (распады т-лептонов) и POWHEG (W + jet, tt, одиночное рождение t-кварка). Последующее прохождение элементарных частиц через вещество детекторных систем было смоделировано с помощью пакета GEANT4 [11], позволяющего учесть специфику конструкции детекторных систем CMS. Кроме того, из контрольных наборов данных были определены корректирующие коэффициенты для учета эффективностей и величины фона (подробнее см. [4]).
На рис. 1 представлены результаты измерения поперечного сечения рождения пар лепто-
нов (e+e- и Ч^-) в процессах Дрелла—Яна в зависмости от инвариантной массы пары M. Для уменьшения влияния систематических эффектов — измерения полной светимости, знания PDF, ограниченного фазового объема установки (acceptance), наложения событий и пр. — сечение процессов Дрелла—Яна da/dM нормировано на сечение рождения нейтрального калибровочного бозона az. Величины измеренных сечений находятся в хорошем согласии с предсказаниями СМ в 1-м и 2-м порядках теории возмущений во всей области инвариантных масс от 15 до 1500 ГэВ/с2. В частности, в области пика бозона Z (60—120 ГэВ/с2) значение сечения составило az = 986.4 ± 0.6(стат.) ± 5.9(эксп. сист.) ± ± 21.7(теор. сист.) ± 21.7(свет.) пбн, что является наиболее точным измерением на адронных коллайдерах и совпадает как с предыдущими измерениями эксперимента CMS [12], так и с NNLO-вычислениями в СМ aZ°v = 970 ± 40 пбн. Результаты, полученные независимо в канале с
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ДРЕЛЛА-ЯНА
649
1.2
1.0
_ 0.8
hL
о
X 0.6 £
0.4
0.2
&
8 1.2 в 1.0
о м
О 0.8
0
CMS, JLdt = 4.5 фбн \ Js = 7 ТэВ, 60 < M < 120 ГэВ
• Data
FEWZ + CT10 NLO FEWZ + CT10 NNLO
J_I_I_I_I_I_I_L_
^+4
0.4
0.8
1.2
1.6
2.0
2.4 YI
Рис. 2. Дифференциальное сечение )йа/йУ рождения пар мюонов в процессах Дрелла—Яна в зависимости
от быстроты мюонной пары У для диапазона инвариантных масс 60—120 ГэВ/с2 [4]. На нижнем рисунке приведено сравнение экспериментальных данных и предсказаний СМ.
парой электронов и в канале с парой мюонов, также совпадают.
В канале с парой мюонов в конечном состоянии было впервые измерено дважды дифференциальное сечение (1/^z)da/dMdY в диапазоне значений быстроты пары \Y\ от 0 до 2.4 и значений инвариантных масс M от 20 до 1500 ГэВ/с2. Во всех диапазонах масс и быстрот результаты измерений совпадают в пределах ошибок с NLO- и NNLO-предсказаниями СМ(см., например, рис. 2, где приведены результаты измерений сечения (1/aZ)da/dY в диапазоне масс 60-120 ГэВ/с2). Также были проведены сравнения результатов измерения с NNLO-вычислениями в рамках FEWZ с помощью различных наборов PDF библиотеки LHAPDF (CT10, NNPDF2.1, MSTW2008, HERAPDF15, JR09, ABKM09, CT10W) [13], что позволит провести дальнейшую настройку PDF на данных LHC.
3. УГЛОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЦЕССОВ ДРЕЛЛА-ЯНА
Присутствие в процессах Дрелла-Яна как векторных, так и аксиально-векторных токов приводит
к появлению асимметрии вылета лептонов определенного знака по направлению "вперед-назад" Afb относительно направления движения системы, в которой рожденная лептонная пара покоится. Подобное определение предполагает, что известно первоначальное направление кварка, но это условие не выполняется в случае кинематики рр-экспериментов. Однако в работах [14] было показано, что направление движения кварка можно зафиксировать направлением вылета двухлептон-ной системы, так как рождение пары происходит в результате аннигиляции преимущественно валентного кварка и морского антикварка, а импульс валентного кварка в среднем больше импульса морского антикварка. Также следует отметить, что измерение Afb дает "размытый" результат по сравнению с асимметрией на партонном уровне из-за ряда эффектов: перераспределения числа событий по бинам инвариантной массы вследствие конечного разрешения детекторов (bin-to-bin migration), обрезаний фазового объема установки, неизвестного направления движения кварков/антикварков на LHC и излучения в конечном состоянии. Учет этих эффектов требует соответствующей коррек-
0
650
ГОРБУНОВ, ШМАТОВ
§
0.4
0.2
и? -0.2
к
о м
2 0 -2
Born Level
- POWHEG (CT10) + PYTHIA (Z2) with PDF uncertainties
| Data with statistical 0 systematic error bars t Data with statistical error bars
T
: CMS
5 фбн-1, Js = 7 ТэВ \Y | < 1.00
50 6070 100
§
0.4
0.2
*s-0.2
200 300 400
M(l+n, ГэВ
к
о м
t f I ^ '
lT
CMS
2 0 -2
5 фбн 1, Ts = 7 ТэВ 1.00 < \Y\ < 1.25
50 6070 100
200 300 400 M(l+l-), ГэВ
J
0.4
0.2
a
ф
JD
К
О
м
э
-0.2 2 0 -2
CMS
5 фбн-1, Ts = 7 ТэВ 1.25 < \ Y\ < 1.50
50 6070 100
J
200 300 400 M(l+l-), ГэВ
a
ф
К
О
м
э
-0.2 2 0 -2
50 6070 100
200 300 400 M(l+l-), ГэВ
Рис. 3. Измеренная асимметрия "вперед-назад" в зависимости от инвариантной массы лептонной пары (е+е и у+у-) [15]. Приведены результаты моделирования в рамках СМ. На нижних рисунках представлено сравнение экспериментальных данных с результатами монте-карло-моделирования (МК) в рамках СМ. Выполнена нормировка на суммарную величину статистической и систематической ошибок измерений аэксп.
0
0
0
ции при анализе и приводит к систематическим ошибкам в измерении асимметрии [15].
Рисунок 3 демонстрирует зависимость измеренной асимметрии Afb от инвариантной массы лептонной пары на интервале 40 < Ыц < 400 ГэВ/с2 в четырех интервалах быстроты пары \Y|. В пределах среднеквадратичного отклонения 1а результаты не противоречат СМ.
Для измерения слабого угла смешивания были использованы данные, набранные CMS в первой половине 2011 г. и соо
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.