[論文レビュー] Measurement of jet substructure in boosted $t\bar{t}$ events with the ATLAS detector using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions

G. Aad, B. Abbott+2930 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 137被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用い、ブーストされたトップクォーク対におけるジェット内部構造の高精度測定を提示する。粒子段階の位相空間において8つの内部構造変数の微分断面積を測定したところ、Pythia 8に基づくモンテカルロ予測は3体ジェット構造をうまく再現できず、一方Herwig 7および代替の行列要素モデルはより良い一致を示した。これは、ブーストされたトップクォークにおける一部粒子のシャワーおよびハドロン化モデルの改善が求められることを示唆している。

ABSTRACT

Measurements of the substructure of top-quark jets are presented, using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collision data recorded with the ATLAS detector at the LHC. Top-quark jets reconstructed with the anti-$k_{t}$ algorithm with a radius parameter $R=1.0$ are selected in top-quark pair ($t\bar{t}$) events where one top quark decays semileptonically and the other hadronically, or where both top quarks decay hadronically. The top-quark jets are required to have transverse momentum $p_\mathrm{T} > 350$ GeV, yielding large samples of data events with jet $p_\mathrm{T}$ values between 350 and 600 GeV. One- and two-dimensional differential cross-sections for eight substructure variables, defined using only the charged components of the jets, are measured in a particle-level phase space by correcting for the smearing and acceptance effects induced by the detector. The differential cross-sections are compared with the predictions of several Monte Carlo simulations in which top-quark pair-production quantum chromodynamic matrix-element calculations at next-to-leading-order precision in the strong coupling constant $\alpha_\mathrm{S}$ are passed to leading-order parton shower and hadronization generators. The Monte Carlo predictions for measures of the broadness, and also the two-body structure, of the top-quark jets are found to be in good agreement with the measurements, while variables sensitive to the three-body structure of the top-quark jets exhibit some tension with the measured distributions.

研究の動機と目的

• 13 TeVにおけるブーストされたトップクォーク対イベントにおける高運動量トポロジーのトップクォークジェットの内部構造を測定すること。
• 特に3体崩壊構成に対応する際のモンテカルロシミュレーションの正確性をテストすること。
• ジェットトポロジーおよび一部粒子のシャワーに敏感な変数において、データと標準模型予測との乖離を特定すること。
• 新しい物理探索に重要な高運動量領域における一部粒子のシャワーおよびハドロン化効果の理解を深めること。
• 高精度な内部構造観測量を用いた将来のトップクォークジェットタギングおよび標準模型を越える探索のベンチマークを提供すること。

提案手法

• 1つの半レプトン的および1つのハドロン的トップ崩壊、または両方のハドロン的崩壊を持つイベントにおいて、R = 1.0のアンチ-kₜアルゴリズムを用いてトップクォークジェットを再構築する。
• 厳密な選別基準を適用：トップクォークジェットのpT > 350 GeVで、主に350–600 GeVの範囲に注目する。
• 8つの内部構造変数を、すべて荷電粒子成分に基づいて測定する：τ₂₁、τ₃₂、τ₃、D₂、C₃、pT分散（pd∗T）、および他の2つの変数。
• 検出器効果を補正し、粒子段階の微分断面積を抽出するために反復的ベイジアンアンフォールディング手法を用いる。
• 複数のモンテカルロジェネレータと比較する：Powheg+Pythia 8、aMC@NLO+Pythia 8、およびHerwig 7。それぞれ異なる一部粒子のシャワーおよびハドロン化モデルを用いる。
• 検出器効果、バックグラウンドモデル、信号シミュレーションからの系統的不確実性を評価し、クロージャーテストを通じて妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLO行列要素＋LO一部粒子シャワーのモンテカルロシミュレーションは、高pT領域におけるブーストされたトップクォークジェットの内部構造をどの程度うまく再現できるか？
• RQ2 τ₃₂やC₃などの3体ジェットトポロジーに敏感な変数は、データにおいて標準模型予測からどの程度ずれているか？
• RQ3 一部粒子シャワーおよびハドロン化モデルとして、Pythia 8とHerwig 7のどちらが観測されたジェット内部構造分布をよりよく再現するか？
• RQ4 トップクォークジェット質量および横運動量の関数として、ジェット内部構造のモデリングに系統的乖離が生じるか？
• RQ5 最終状態放射（FSR）スケールの変更は、データとシミュレーションの一致を改善するか、悪化させるか？

主な発見

• 名目設定のPowheg+Pythia 8予測はτ₂₁、ECF₂、D₂の変数をうまく再現するが、τ₃₂、τ₃、C₃の分布は観測値とは一致せず、予測よりも2体的である。
• pT分散（pd∗T）変数は名目MCによって不適切にモデル化されており、データは予測よりも低い値に強いピークを示している。
• Herwig 7に基づく予測はPythia 8よりもデータとより良い一致を示し、特に3体に敏感な変数において、一部粒子シャワーおよびハドロン化のモデリングが改善されていることを示唆している。
• 代替の行列要素予測（aMC@NLO+Pythia 8）は、名目設定のPowheg+Pythia 8と比較してデータとの一致が向上している。
• FSRスケールを増加させるとデータとの一致が悪化し、逆に減少させると改善されるため、データは名目設定よりも高い有効なαFSRsを好むことが示唆された。
• mtopとptopTの関数としてτ₃₂とD₂の相関に系統的乖離が観測され、低mtopおよび高ptopT領域におけるNLO行列要素＋一部粒子シャワーモデルの欠陥が示された。