ATLAS 포괄적 탑 생산 단면 측정 최신 결과

초록

ATLAS는 √s = 5.02, 8.16, 13, 13.6 TeV에서 단일 탑(t‑채널·tW) 및 탑-안티탑(tt̄)의 포괄적 생산 단면을 측정하고, Vₜb, σ(tq)/σ(t̄q), σ(tt̄)/σ(Z→ℓℓ) 및 핵수정계수 RₚA 등을 추출하였다. 모든 결과는 NNLO+NNLL QCD 예측과 일치한다.

상세 분석

본 보고서는 ATLAS가 Run 2와 Run 3 데이터(최대 140 fb⁻¹)와 p‑Pb(165 nb⁻¹) 데이터를 활용해 다양한 탑 생산 모드의 포괄적 단면을 정밀 측정한 내용을 종합한다. 단일 탑 tW 채널(√s = 13 TeV)에서는 dilepton(e±μ∓) + b‑jet 최종 상태를 선택し, 1j1b, 2j1b, 2j2b의 세 신호 영역에 대해 BDT 기반 분류기를 훈련시켜 신호와 tt̄ 배경을 구분하였다. 프로파일 likelihood 피팅을 통해 σ(tW)=75 ± 1(stat) + 15/−14(syst) ± 1(lumi) pb를 얻었으며, 이는 SM 예측 79.3 pb와 3 % 수준의 차이 없이 일치한다. 주요 시스템atics는 tt̄ 모델링(13.2 %), JES(12 %), E_T^miss 재구성(11 %)이며, 전체 불확실성은 3–4 %로 크게 감소하였다.

t‑채널(single‑top) 측정은 √s = 13 TeV와 5.02 TeV 두 에너지에서 수행되었다. 13 TeV에서는 140 fb⁻¹ 데이터를 이용해 정확히 하나의 lepton, 두 개의 jet(그중 하나는 b‑jet) 조건을 적용하고, lepton 전하에 따라 SR⁺, SR⁻를 정의하였다. 신경망(NN) 기반 판별 변수 D_nn을 사용해 tt̄ 및 W+jets 등 배경을 억제하고, 프로파일 likelihood 피팅으로 σ(tq)=137 ± 8 pb, σ(t̄q)=84 + 6/−5 pb를 얻었다. 이 값은 NNLO+NNLL 예측(134.2 pb, 80.0 pb)과 2 % 이내 차이로 일치한다. 두 채널의 비율 R_t=σ(tq)/σ(t̄q)=1.636 + 0.036/−0.034는 PDF 제약에 유용한 고정밀 측정이다. V_tb는 |f_LV V_tb|=1.015 ± 0.031 로 추정돼 SM의 V_tb≈1과 일치한다.

5.02 TeV에서의 t‑채널 측정은 저 pile‑up(⟨μ⟩≈2) 환경에서 255 pb⁻¹ 데이터를 사용했다. 통계적 불확실성이 16 %로 가장 큰 비중을 차지했으며, 최종적으로 σ(tq)=19.8 + 3.9/−3.1(stat) + 2.9/−2.2(syst) pb, σ(t̄q)=7.3 + 3.2/−2.1(stat) + 2.8/−1.5(syst) pb를 얻었다. 비율 R_t=2.73 + 1.43/−0.82(stat) + 1.01/−0.29(syst) 로 큰 불확실성을 보였지만, SM 예측과의 일관성을 확인했다.

tt̄ 단면은 √s = 13.6 TeV에서 29 fb⁻¹ 데이터를 이용해 dilepton(eμ) + b‑jet 최종 상태를 선택하고, 네 개의 신호 영역에 대해 프로파일 likelihood 피팅을 수행했다. 결과는 σ(tt̄)=850 ± 3(stat) ± 18(syst) ± 20(lumi) pb이며, 이는 NNLO+NNLL 예측 924 + 32/−40 pb와 1σ 수준에서 일치한다. 동시에 Z→ℓℓ 단면 σ(Z)=744 ± 11(stat+syst) ± 16(lumi) pb를 측정해 비율 R_tt̄/Z=1.145 ± 0.003(stat) ± 0.021(syst) ± 0.002(lumi) 를 얻었다. 이 비율은 gluon‑PDF와 quark‑PDF 비율에 민감해 향후 PDF 글로벌 피팅에 중요한 입력이 될 것이다.

p‑Pb(√s_NN = 8.16 TeV)에서의 tt̄ 측정은 165 nb⁻¹ 데이터를 사용해 dilepton 및 semileptonic 신호 영역을 정의하고, H_T (leptons+jets의 스칼라 합) 분포에 대해 프로파일 likelihood 피팅을 수행했다. 측정값 σ(tt̄)=58.1 ± 2.0(stat) + 4.8/−4.4(syst) nb는 다양한 nuclear PDF 세트와 비교했을 때 일치했으며, 핵수정계수 R_pA=1.090 ± 0.039(stat) + 0.094/−0.087(syst) 로 SM(=1)과 호환된다. 주요 시스템atics는 JES(4.6 %)와 tt̄ generator(4.5 %)였다.

전반적으로 ATLAS는 단일 탑과 tt̄의 포괄적 단면을 다양한 에너지와 충돌 시스템에서 측정해, NNLO+NNLL QCD 예측과 뛰어난 일치를 보였다. V_tb, σ 비율, R_pA 등 파생 물리량도 SM과 일관된 값을 제공해, 향후 PDF 및 새로운 물리 현상 탐색에 중요한 기준이 된다.