[論文レビュー] Measurement of the jet mass in hadronic decays of boosted W bosons at 13 TeV and extraction of the W boson mass

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2026

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ひとこと要約

この CMS 研究は 13 TeVpp 衝突でクォークへ崩壊するブースト W ボゾンの groomed ジェット質量を測定し，ジェット pT と soft-drop 質量に対する二重微分断面積を展開し，全ジェット終状態から W 質量 (80.83 ± 0.55 GeV) を抽出する。

ABSTRACT

The jet mass of W bosons decaying to a quark-antiquark pair is measured in W+jets events from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data used were collected by the CMS experiment at the CERN LHC and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Hadronic decays of W bosons with high momenta produce strongly collimated decay products due to the large Lorentz boost, and are reconstructed as single large-radius jets. These jets have a characteristic substructure that is exploited to distinguish them from the large background of quark- and gluon-initiated jets. The jet mass is computed using the soft-drop algorithm, which suppresses soft wide-angle radiation that leads to a broadening of the jet mass distribution. For the first time, unfolded measurements are presented of the double-differential W+jets cross section as a function of the jet transverse momentum and soft-drop mass. From these distributions, the W boson mass is obtained, with a value of 80.83 $\pm$ 0.55 GeV, achieving the smallest uncertainty available today from an all-jets final state at a hadron collider.

研究の動機と目的

• W ボソン生成におけるジェットサブストラクチャのモデル化を検証・改善する。
• データ中のブースト W→qq′ ジェットの groomed ジェット質量分布を測定する。
• 粒子レベルへの二重微分（ジェット質量と pT の分布）への展開を行う。
• 展開された分布を用いたテンプレートフィットで W ボソン質量を抽出する。

提案手法

• leading ジェットを再構成し soft-drop groom を適用して m_SD を得る。
• Cambridge–Aachen 再クラスタリングと反復的デクラスタリングを用いて groom を計算する。
• N2^(1) と ParticleNet–MD でジェットをタグ付けし、W ジェットと背景を識別する。
• DDT アプローチを用いて tagging 観測量を m_SD および pT からデコレラートする。
• 最大尤度テンプレートフィットによりデータを粒子レベルへ展開（(pT, m_SD)）する。
• 展開された分布からテンプレートフィットと断面積補正を用いて m_W を抽出する。

Figure 1: Feynman diagram for tree-level $\PW(\PQq\PAQq^{\prime})\text{+jets}$ production.

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV pp 衝突でブースト W→qq′ ジェットの groomed ジェット質量分布を測定できるか。
• RQ2 ジェットサブストラクチャ技法を用いて全ハドロン崩壊の W の質量をどの程度の精度で抽出できるか。
• RQ3 データとシミュレーションでジェットサブストラクチャモデルは WInitiated ジェットをどの程度再現するか。
• RQ4 粒子レベルへの展開がジェット質量および断面積の測定に与える影響は何か。

主な発見

• ジェット pT と soft-drop 質量の二重微分断面の展開測定が初めて発表された。
• 展開された分布から W ボソン質量は 80.83 ± 0.55 GeV と抽出された。
• 本測定はハドロン衤択コライダーの全ジェット終状態としてはこれまでで最も不確実性が小さい結果を達成。
• 2 種類の tagging アプローチ（N2^(1) DDt と ParticleNet MD DDt）を用い、ParticleNet の方がバックグラウンド排除と同程度の信号効率を達成。
• groom (soft-drop) と pileup 減衰手段 (PUPPI) は m_SD を pileup およびサブディテクター効果に対してロバストにする。
• 本研究はブースト W+jets 生成におけるジェットサブストラクチャのモデリングを検証・示唆する。

Figure 2: Acceptance as a function of $m_{\mathrm{SD}}^{\mathrm{ptcl}}$ without (left) and with (right) the requirement $N_{2}^{(1)}<0.2$ at the particle level. The acceptance is calculated using the $\PW(\PQq\PAQq^{\prime})\text{+jets}$ signal simulation with 2018 detector conditions.