ATLAS가 13 TeV에서 관측한 탑쌍‑챠름 연관 생산 최초 측정

초록

ATLAS는 2015‑2018년 13 TeV 런 2 데이터(통합광도 140 fb⁻¹)를 이용해 $t\bar t$와 추가 챠름( $c$ ) 제트가 동반된 사건의 포함 단면을 최초로 측정했다. 맞춤형 $b/c$‑태거를 사용해 $t\bar t+{\ge}2c$와 $t\bar t+1c$의 피덕탈 단면을 각각 $1.28^{+0.27}{-0.24}$ pb, $6.4^{+1.0}{-0.9}$ pb 로 얻었으며, NLO+PS 시뮬레이션이 전반적으로 낮게 예측하지만 1‑2 σ 수준에서 일치한다. 주요 불확실성은 신호·배경 모델링과 태거 성능, 통계에 있다.

상세 분석

이 연구는 $t\bar t$와 추가 중성( $c$ ) 제트가 동반된 최종 상태를 정밀하게 분리하기 위해, 기존 ATLAS DL1r $b$‑태거를 2차원으로 재구성한 $b/c$‑태거를 도입하였다. 이 태거는 $c$‑제트를 11 %와 22 % 효율(오프‑다이얼) 두 단계, $b$‑제트를 60 %와 70 % 효율 두 단계, 그리고 비태깅 영역으로 구분해 5개의 구간을 만든다. 이렇게 하면 $c$‑제트와 $b$‑제트를 동시에 식별하면서도 오염을 최소화할 수 있다.

선택 기준은 단일 전자·뮤온 트리거와 1~2개의 전하 레프톤, 최소 5개의 제트(단일‑레프톤 채널) 혹은 3개의 제트(다중‑레프톤 채널)를 요구한다. 특히 $c$‑태깅된 제트가 최소 두 개(단일‑레프톤) 혹은 하나(다중‑레프톤) 이상인 7개의 신호 영역과, $c$‑태깅을 배제하거나 정확히 하나만 포함하는 12개의 제어 영역을 정의해, $t\bar t+{\ge}2c$, $t\bar t+1c$, $t\bar t+{\ge}1b$, $t\bar t+$라이트 등 네 가지 카테고리의 비율을 동시에 피팅한다.

시뮬레이션은 5FS POWHEG‑BOX 2 + PYTHIA8을 기본으로 $t\bar t+$제트 전반을 모델링하고, $t\bar t+b\bar b$는 4FS POWHEG‑BOX RES + PYTHIA8, HERWIG7 등으로 보강한다. $c$‑제트는 파트론 샤워 단계에서 $g\to c\bar c$ 분할로 생성되며, 전용 매트릭스‑엘리먼트 계산이 존재하지 않기 때문에 이 실험적 측정이 이론 모델링을 검증하는 중요한 기준이 된다.

프로파일드 Likelihood 피팅 결과, 데이터와 MC의 전반적 적합도는 98 %의 p‑값을 보이며, 신호 강도는 $t\bar t+{\ge}2c$와 $t\bar t+1c$에 대해 각각 $1.00\pm0.21$와 $1.00\pm0.16$ 수준이다. 피덕탈 단면은 $\sigma_{\text{fid}}(t\bar t+{\ge}2c)=1.28^{+0.27}{-0.24}$ pb, $\sigma{\text{fid}}(t\bar t+1c)=6.4^{+1.0}_{-0.9}$ pb 로 측정되었다.

예측값과 비교하면, POWHEG + PYTHIA8은 $t\bar t+{\ge}2c$와 $t\bar t+1c$를 각각 1.1σ, 1.2σ 수준에서 낮게 예측하고, HERWIG7 및 MadGraph5_aMC@NLO + HERWIG7은 1.5–2.0σ 차이를 보인다. 이는 현재 NLO+PS 모델이 $c$‑제트 생산 메커니즘을 충분히 포착하지 못함을 시사한다.

불확실성 분해에서는 $t\bar t+{\ge}1c$와 $t\bar t+{\ge}1b$의 매칭 스킴·파샤워 파라미터, $b/c$‑태거의 효율·오염율, 그리고 통계적 한계가 각각 30 % 내외의 기여를 한다. 특히 $b/c$‑태거의 시스템atics가 전체 오차의 약 20 %를 차지한다는 점은 향후 태거 개선이 측정 정밀도를 크게 높일 수 있음을 보여준다.

마지막으로, 전체 $t\bar t+$제트 생산에 대한 비율은 $R_{\text{inc}}(t\bar t+{\ge}2c)=(1.23\pm0.25)%$, $R_{\text{inc}}(t\bar t+1c)=(8.8\pm1.3)%$ 로, 시뮬레이션과 일관된 수준이다. 이는 $c$‑제트가 $t\bar t$ 이벤트의 약 10 %를 차지한다는 중요한 물리적 인사이트를 제공한다.