[論文レビュー] Measurement of the top quark pole mass using $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $+jet events in the dilepton final state in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2397 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文では、$√s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突において、36.3 fb$^{-1}$ の統合レートを用い、二レプトン最終状態の t\bar{t}+ジェットイベントを用いたトップクォーク極座標質量の高精度測定を提示する。多変量解析と、正規化された微分断面積を $ρ = 2m_0/m_{τ\mathrm{tt+jet}}$ 觀測量で最大尤度アンフォールディングを用い、トップクォーク極座標質量は ABMP16 NLO PDF を用いて $m^\mathrm{pole}_t = 172.93 \pm 1.36$ GeV として抽出された。これは、プロファイルされた系統的不確実性を経て、実験的精度が顕著に向上したことを示している。

ABSTRACT

A measurement of the top quark pole mass $m_\mathrm{t}^ ext{pole}$ in events where a top quark-antiquark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$) is produced in association with at least one additional jet ($\mathrm{t\bar{t}}$+jet) is presented. This analysis is performed using proton-proton collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. Events with two opposite-sign leptons in the final state (e$^+$e$^-$, $μ^+μ^-$, e$^\pmμ^\mp$) are analyzed. The reconstruction of the main observable and the event classification are optimized using multivariate analysis techniques based on machine learning. The production cross section is measured as a function of the inverse of the invariant mass of the $\mathrm{t\bar{t}}$+jet system at the parton level using a maximum likelihood unfolding. Given a reference parton distribution function (PDF), the top quark pole mass is extracted using the theoretical predictions at next-to-leading order. For the ABMP16NLO PDF, this results in $m_\mathrm{t}^ ext{pole}$ = 172.93 $\pm$ 1.36 GeV.

研究の動機と目的

• 13 TeV での二レプトン最終状態の t\bar{t}+ジェットイベントを用いて、トップクォーク極座標質量をより高い精度で測定すること。
• 最大尤度法とプロファイルされた余剰パrameterを用いた、系統的不確実性をプロファイルすることで、検出器効果や理論的モデル化の不確実性を低減し、検出器レベルの観測量を部分子レベルにアンフォールディングすること。
• $ρ$ 観測量における正規化された微分断面積から $m^\mathrm{pole}_t$ を抽出し、ジェット放射効果を通じてトップクォーク質量への感度を高めること。
• 次-leading order のQCD予測を用いることで、モンテカルロ質量 $m^\mathrm{MC}_t$ と極座標質量 $m^\mathrm{pole}_t$ 間の曖昧さを最小限に抑えること。

提案手法

• 本分析では、CMS実験が収集した、$√s} = 13$ TeV の陽子-陽子衝突データ 36.3 fb$^{-1}$ を使用する。
• 二つの電荷が反対のレプトンと少なくとも一つのジェットを含む二レプトン最終状態（e+e−、μ+μ−、e±μ∓）のイベントを選別する。
• 機械学習に基づく多変量解析技術を用いて、イベント分類とバックグラウンド抑制を最適化する。
• 正規化された微分断面積を検出器レベルで測定し、系統的不確実性のためのプロファイルされた余剰パrameterを用いた最大尤度法により、部分子レベルにアンフォールディングする。
• $ρ = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 観測量を用い、トップクォーク極座標質量への感度を高める。$m_0 = 170$ GeV とする。
• アンフォールディングされた断面積を、ABMP16 NLO parton distribution function を用いた次-leading order 理論的予測と比較することで、極座標質量を抽出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 13 TeV での二レプトン最終状態の t\bar{t}+ジェットイベントから抽出されたトップクォーク極座標質量 $m^\mathrm{pole}_t$ の値は何か？
• RQ2 t\bar{t}+ジェットイベントにおけるジェット放射の取り扱いが、包括的 t\bar{t} 生産と比較して、トップクォーク極座標質量への感度をどのように向上させるか？
• RQ3 アンフォールディングプロセスにおけるプロファイルされた系統的不確実性が、$m^\mathrm{pole}_t$ の実験的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ4 測定された $m^\mathrm{pole}_t$ の値は、過去の測定値や理論的期待値とどのように一致するか？

主な発見

• トップクォーク極座標質量は、ABMP16 NLO parton distribution function を用いて $m^\mathrm{pole}_t = 172.93 \pm 1.36$ GeV として測定された。
• 最大尤度アンフォールディングにおける余剰パrameterのプロファイルにより、実験的不確実性が顕著に低減され、古典的手法よりも精度が向上した。
• 測定では、トップクォーク質量の生成閾値付近での感度を高めるために、$ρ = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 観測量における正規化された微分断面積が使用された。
• 結果は過去の測定と整合的であり、LHCにおけるトップクォーク極座標質量の競争的な決定を提供している。
• 本分析は、多変量技術とプロファイルされた系統的不確実性が、高精度トップクォーク質量測定において効果的であることを示している。
• 測定された $m^\mathrm{pole}_t$ の値は、世界平均と整合的であり、グローバルな電弱フィットやヒッグス粒子自己結合定数の研究に貢献している。