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  • Simultaneous Unbinned Differential Cross-Section Measurement of Twenty-Four Kinematic Observables with the ATLAS Detector

This content will become publicly available on December 1, 2025

Title: Simultaneous Unbinned Differential Cross-Section Measurement of Twenty-Four Kinematic Observables with the ATLAS Detector
Z boson events at the Large Hadron Collider can be selected with high purity and are sensitive to a diverse range of QCD phenomena. As a result, these events are often used to probe the nature of the strong force, improve Monte Carlo event generators, and search for deviations from standard model predictions. All previous measurements of Z boson production characterize the event properties using a small number of observables and present the results as differential cross sections in predetermined bins. In this analysis, a machine learning method called omnifold is used to produce a simultaneous measurement of twenty-four Z+jets observables using 139 /fb of proton-proton collisions at sqrt(s) =  TeV collected with the ATLAS detector. Unlike any previous fiducial differential cross-section measurement, this result is presented unbinned as a dataset of particle-level events, allowing for flexible reuse in a variety of contexts and for new observables to be constructed from the twenty-four measured observables.  more » « less
Award ID(s):
2311666
PAR ID:
10636722
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
American Physical Society
Date Published:
Journal Name:
Physical Review Letters
Volume:
133
Issue:
26
ISSN:
0031-9007
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A bstract Measurements of the total and differential fiducial cross sections for the Z boson decaying into two neutrinos are presented at the LHC in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data were collected by the CMS detector in 2016 and correspond to an integrated luminosity of 35.9 fb − 1 . In these measurements, events are selected containing an imbalance in transverse momentum and one or more energetic jets. The fiducial differential cross section is measured as a function of the Z boson transverse momentum. The results are combined with a previous measurement of charged-lepton decays of the Z boson. The measured total fiducial cross section for events with Z boson transverse momentum greater than 200 GeV is $$ {3000}_{-170}^{+180} $$ 3000 − 170 + 180 fb. 
    more » « less
  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    null (Ed.)
    Abstract Differential cross-section measurements are presented for the electroweak production of two jets in association with a Z boson. These measurements are sensitive to the vector-boson fusion production mechanism and provide a fundamental test of the gauge structure of the Standard Model. The analysis is performed using proton–proton collision data collected by ATLAS at $$\sqrt{s}=13\ \hbox {TeV}$$ s = 13 TeV and with an integrated luminosity of $$139\ \hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 . The differential cross-sections are measured in the $$Z\rightarrow \ell ^+\ell ^-$$ Z → ℓ + ℓ - decay channel ( $$\ell =e,\mu $$ ℓ = e , μ ) as a function of four observables: the dijet invariant mass, the rapidity interval spanned by the two jets, the signed azimuthal angle between the two jets, and the transverse momentum of the dilepton pair. The data are corrected for the effects of detector inefficiency and resolution and are sufficiently precise to distinguish between different state-of-the-art theoretical predictions calculated using Powheg+Pythia8 , Herwig7+Vbfnlo and Sherpa  2.2. The differential cross-sections are used to search for anomalous weak-boson self-interactions using a dimension-six effective field theory. The measurement of the signed azimuthal angle between the two jets is found to be particularly sensitive to the interference between the Standard Model and dimension-six scattering amplitudes and provides a direct test of charge-conjugation and parity invariance in the weak-boson self-interactions. 
    more » « less
  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A bstract Inclusive and differential cross sections of single top quark production in association with a Z boson are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV with a data sample corresponding to an integrated luminosity of 138 fb − 1 recorded by the CMS experiment. Events are selected based on the presence of three leptons, electrons or muons, associated with leptonic Z boson and top quark decays. The measurement yields an inclusive cross section of $$ {87.9}_{-7.3}^{+7.5}{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-6.0}^{+7.3}\left(\mathrm{syst}\right) $$ 87.9 − 7.3 + 7.5 stat − 6.0 + 7.3 syst fb for a dilepton invariant mass greater than 30 GeV, in agreement with standard model (SM) calculations and represents the most precise determination to date. The ratio between the cross sections for the top quark and the top antiquark production in association with a Z boson is measured as $$ {2.37}_{-0.42}^{+0.56}{\left(\mathrm{stat}\right)}_{-0.13}^{+0.27}\left(\mathrm{syst}\right) $$ 2.37 − 0.42 + 0.56 stat − 0.13 + 0.27 syst . Differential measurements at parton and particle levels are performed for the first time. Several kinematic observables are considered to study the modeling of the process. Results are compared to theoretical predictions with different assumptions on the source of the initial-state b quark and found to be in agreement, within the uncertainties. Additionally, the spin asymmetry, which is sensitive to the top quark polarization, is determined from the differential distribution of the polarization angle at parton level to be 0 . 54 ± 0 . 16 (stat) ± 0 . 06 (syst), in agreement with SM predictions. 
    more » « less
  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Inclusive and differential cross sections for Higgs boson production in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13.6 TeV are measured using data collected with the CMS detector at the LHC in 2022, corresponding to an integrated luminosity of 34.7 fb−1. Events with the diphoton final state are selected, and the measured inclusive fiducial cross section is$${\sigma }_{\text{fid}}={74}\pm {11}{\left({\text{stat}}\right)}_{-4}^{+5}\left({\text{syst}}\right)$$fb, in agreement with the standard model prediction of 67.8 ± 3.8 fb. Differential cross sections are measured as functions of several observables: the Higgs boson transverse momentum and rapidity, the number of associated jets, and the transverse momentum of the leading jet in the event. Within the uncertainties, the differential cross sections agree with the standard model predictions. 
    more » « less
  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, The European Physical Journal C)
    null (Ed.)
    Abstract Inclusive and differential fiducial cross sections of the Higgs boson are measured in the $$H \rightarrow ZZ^{*} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z ∗ → 4 ℓ ( $$\ell = e,\mu $$ ℓ = e , μ ) decay channel. The results are based on proton-proton collision data produced at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV and recorded by the ATLAS detector from 2015 to 2018, equivalent to an integrated luminosity of 139  $$\hbox {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The inclusive fiducial cross section for the $$H \rightarrow ZZ^{*} \rightarrow 4\ell $$ H → Z Z ∗ → 4 ℓ process is measured to be $$\sigma _\mathrm {fid} = 3.28 \,{\pm }\, 0.32$$ σ fid = 3.28 ± 0.32  fb, in agreement with the Standard Model prediction of $$\sigma _\mathrm {fid, SM} = 3.41 \pm 0.18 $$ σ fid , SM = 3.41 ± 0.18  fb. Differential fiducial cross sections are measured for a variety of observables which are sensitive to the production and decay of the Higgs boson. All measurements are in agreement with the Standard Model predictions. The results are used to constrain anomalous Higgs boson interactions with Standard Model particles. 
    more » « less
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