[論文レビュー] Measurement of the top-quark mass using a leptonic invariant mass in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13~ extrm{TeV}$ with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 2

ひとこと要約

本論文では、√s = 13 TeV における t¯t 事象において、Wボソン崩壊からのレプトン（e または μ）と b ハドロン崩壊からのミューオンの不变質量を用いて、トップクォーク質量の高精度測定を提示する。この手法は、36.1 fb⁻¹ の ATLAS データを用いたビン化テンプレートプロファイル尤度フィットを採用し、mt = 174.41 ± 0.39（統計）± 0.66（系誤差）± 0.25（反動）GeV を得た。これは、系統的誤差の制御が著しく向上し、グローバルフィットと整合性があることを示している。

ABSTRACT

A measurement of the top-quark mass ($m_t$) in the $t\bar{t} ightarrow~ extrm{lepton}+ extrm{jets}$ channel is presented, with an experimental technique which exploits semileptonic decays of $b$-hadrons produced in the top-quark decay chain. The distribution of the invariant mass $m_{\ell\mu}$ of the lepton, $\ell$ (with $\ell=e,\mu$), from the $W$-boson decay and the muon, $\mu$, originating from the $b$-hadron decay is reconstructed, and a binned-template profile likelihood fit is performed to extract $m_t$. The measurement is based on data corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13~ extrm{TeV}$$pp$ collisions provided by the Large Hadron Collider and recorded by the ATLAS detector. The measured value of the top-quark mass is $m_{t} = 174.41\pm0.39~( extrm{stat.})\pm0.66~( extrm{syst.})\pm0.25~( extrm{recoil})~ extrm{GeV}$, where the third uncertainty arises from changing the PYTHIA8 parton shower gluon-recoil scheme, used in top-quark decays, to a recently developed setup.

研究の動機と目的

• 新しい不変質量観測量を用いて、t¯t → ℓ+jets チャネルにおけるトップクォーク質量測定の精度を向上させること。
• ブースト不変な観測量を用いることで、ジェットエネルギースケールおよびトップクォーク生成モデルへの感度を低減すること。
• 理論的解釈の整合性を検証するために、異なる系統的誤差を持つ測定を導入すること。
• グローバル電弱フィットおよびトップクォーク物理学に競争力のある入力を提供すること。

提案手法

• Wボソン崩壊からのレプトン（ℓ = e, μ）と半レプトン的 b ハドロン崩壊からのミューオンの不変質量 mℓμ を再構築する。
• 異なるトップクォーク質量仮説におけるシミュレートされた mℓμ 分布とデータを比較するため、ビン化テンプレートプロファイル尤度フィットを用いる。
• Pythia8 を用いて b ハドロン崩壊および重クォークフラグメンテーションをモデル化し、専用のグルーオン反動スキームを導入する。
• エネルギー分解能、再構築効率、運動量スケールを考慮するため、詳細な検出器シミュレーションとキャリブレーションを適用する。
• 信号モデル、バックグラウンド推定、検出器応答、部分子ショーワー効果の系統的誤差を評価する。
• ATLAS 検出器が収集した、√s = 13 TeV における 36.1 fb⁻¹ の pp 衝突データを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レプトンの不変質量観測量を用いることで、ジェットエネルギースケールへの感度を低減してトップクォーク質量を測定できるか？
• RQ2 mℓμ を用いた手法は、標準的な再構築技術と比較して、精度および系統的誤差の制御においてどのように異なるか？
• RQ3 Pythia8 の部分子ショーワー反動スキームの変更が、最終的なトップクォーク質量決定に与える影響は何か？
• RQ4 この手法は、以前の測定と比較して、グローバル電弱フィットとの整合性をどの程度向上させるか？
• RQ5 この手法は、トップクォーク生成運動学およびジェットエネルギーキャリブレーションへの依存を低減できるか？

主な発見

• 測定されたトップクォーク質量は mt = 174.41 ± 0.39（統計）± 0.66（系誤差）± 0.25（反動）GeV であり、3番目の誤差は Pythia8 の部分子ショーワー反動スキームの変更に起因する。
• 統計誤差は 0.39 GeV、主な系統的誤差は 0.66 GeV、反動誤差は 0.25 GeV である。
• 標準的な再構築技術と比較して、ジェットエネルギースケールおよびトップクォーク生成モデルへの感度が低減している。
• 結果は、mt = 176.4 ± 2.1 GeV の間接的グローバル電弱フィット値と整合性があるが、中央値が低めに位置している。
• この測定は、t¯t → ℓ+jets チャネルの精度を向上させ、異なる系統的誤差を持つ補足的手段を提供する。
• 本分析は、高エネルギー pp 衝突におけるトップクォーク質量測定に mℓμ を強固な観測量として用いる可能性を示している。