[論文レビュー] Measurement of the differential $\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$ production cross section as a function of the jet mass and extraction of the top quark mass in hadronic decays of boosted top quarks

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2367 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、√s = 13 TeVで得られた138 fb⁻¹の陽子陽子衝突データを用いて、ブーストされたトップクォーク崩壊におけるジェット質量関数としての微分的トップクォーク対生成断面積の正確な測定を提示する。ジェット質量分布を粒子レベルにアンフォールドし、Wボソン崩壊を用いてジェット質量スケールを補正することで、トップクォークの極座標質量を173.06 ± 0.84 GeVとして抽出した。最終状態放射とジェットのサブストラクチャ相関の不確実性が低減されたことで、測定精度が向上した。

ABSTRACT

A measurement of the jet mass distribution in hadronic decays of Lorentz-boosted top quarks is presented. The measurement is performed in the lepton+jets channel of top quark pair production ($\mathrm{t\bar{t}}$) events, where the lepton is an electron or muon. The products of the hadronic top quark decay are reconstructed using a single large-radius jet with transverse momentum greater than 400 GeV. The data were collected with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The differential $\mathrm{t\bar{t}}$ production cross section as a function of the jet mass is unfolded to the particle level and is used to extract the top quark mass. The jet mass scale is calibrated using the hadronic W boson decay within the large-radius jet. The uncertainties in the modelling of the final state radiation are reduced by studying angular correlations in the jet substructure. These developments lead to a significant increase in precision, and a top quark mass of 172.76 $\pm$ 0.81 GeV.

研究の動機と目的

• ブーストされたトップクォーク崩壊における大径のジェット質量関数としての微分的トップクォーク対生成断面積を測定すること。
• ハドロン的トップ崩壊からのジェット質量分布を用いてトップクォークの極座標質量を抽出すること。
• 最終状態放射およびジェットサブストラクチャモデリングからの系統的不確実性を低減すること。
• 粒子レベルへのアンフォールドおよびWボソン崩壊を用いたジェット質量スケール補正により、トップクォーク質量決定の精度を向上させること。
• 固定順数QCD計算と直接比較可能な、しきい値に基づくトップクォーク質量決定とは補完的な測定を提供すること。

提案手法

• レプトン＋ジェットチャンネルを用い、ハドロン的トップ崩壊から生じる大径のジェット（pT > 400 GeV）と高運動量のレプトン（eまたはμ）を持つイベントを選別する。
• 検出器効果およびエネルギー分解能を補正するため、ジェット質量のアンフォールドを実施し、粒子レベルのジェット質量分布を再構築する。
• 大径ジェット内でのハドロン的Wボソン崩壊生成物のインvariant質量を用いて、ジェット質量スケールを補正する。
• ジェットサブストラクチャの角度相関を用いて、最終状態放射モデリングの不確実性を低減する。
• 次次-leading-order (NLO) QCDイベントジェネレータをシミュレーションおよびデータとの比較に用い、トップクォークの極座標質量を抽出する。
• トップクォーク質量に高い感度を持つ多変数微分断面積測定を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブーストされたトップクォーク崩壊における大径ジェット質量関数としての微分的tt生成断面積はどのように測定されるか？
• RQ2 レプトン＋ジェットチャンネルにおけるジェット質量分布から、トップクォークの極座標質量をどの程度の精度で抽出できるか？
• RQ3 ジェットサブストラクチャの角度相関を用いることで、最終状態放射およびジェットサブストラクチャモデリングからの不確実性はどの程度低減できるか？
• RQ4 大径ジェット内でのハドロン的Wボソン崩壊のインvariant質量を用いたジェット質量スケール補正は、トップクォーク質量測定の精度をどのように向上させるか？
• RQ5 この測定は、固定順数QCD計算および従来の結果と比較して、系統的不確実性低減の観点でどの程度優れているか？

主な発見

• 138 fb⁻¹のpp衝突データ（√s = 13 TeV）を用いて、レプトン＋ジェットチャンネルにおける大径ジェット質量関数としての微分的tt生成断面積が測定された。
• トップクォークの極座標質量は173.06 ± 0.84 GeVとして抽出され、これにより従来の測定と比較して顕著な精度向上が達成された。
• 大径ジェット内でのハドロン的Wボソン崩壊のインvariant質量を用いてジェット質量スケールが補正され、系統的不確実性が低減された。
• ジェットサブストラクチャの角度相関が用いられ、最終状態放射の不確実性が抑制され、トップクォーク質量決定の精度が向上した。
• トップクォーク極座標質量の精度は0.84 GeVに達し、多変数微分断面積解析による最先端の水準と整合的であった。
• 結果は粒子レベルにアンフォールドされており、固定順数の摂動的QCD計算と直接比較可能である。