[論文レビュー] Measurements of the top quark mass at the tevatron

O. Brandt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、フェルミラブ・テバトロンにおけるCDFおよびD0共同研究から、統合 luminosity 8.7 fb⁻¹までを用いたトップクォーク質量の最も正確な測定を提示している。行列式要素手法とイン・サイトでのジェットエネルギースケール補正を用いることで、テバトロンの結合測定は、世界平均のトップクォーク質量として 173.2 ± 0.9 GeV を得ており、相対精度は 0.54% に達している。

ABSTRACT

The mass of the top quark (\mtop) is a fundamental parameter of the standard model (SM). Currently, its most precise measurements are performed by the CDF and D0 collaborations at the Fermilab Tevatron $p\bar p$ collider at a centre-of-mass energy of $\sqrt s=1.96 \TeV$. We review the most recent of those measurements, performed on data samples of up to 8.7 \fb\ of integrated luminosity. The Tevatron combination using up to 5.8 fb$^{-1}$ of data results in a preliminary world average top quark mass of $m_{ m top} = 173.2 \pm 0.9$ GeV. This corresponds to a relative precision of about 0.54%. We conclude with an outlook of anticipated precision the final measurement of \mtop at the Tevatron.

研究の動機と目的

• テバトロンの陽子-陽陽子衝突機から得られるデータを用いて、トップクォーク質量の測定精度を可能な限り高める。
• 標準模型の整合性を検証するため、$m_{\rm top}$-$m_W$ 平面を用いてヒッグスボソン質量を制約する。
• 高精度なトップクォーク性質の測定を通じて、標準模型を超える物理学を探索する。
• $\mathcal{CPT}$ 違反を調査するため、トップクォークと反トップクォークの質量差を測定する。
• 将来の世界規模のトップクォーク質量測定の統合（LHCのATLASおよびCMS結果を含む）に備える。

提案手法

• 測定された物理量を持つイベントが、与えられた $m_{\rm top}$ 偽説のもとでトップクォーク対生成から起因する確率を計算するために、行列式要素（ME）手法を用いる。
• LO 行列式要素による $t\bar{t}$ 生成確率 $\mathcal{P}_{\rm sig}(x,m_{\rm top},k_{\rm JES})$ をモデル化し、検出器効果は移行関数 $W(x,y,k_{\rm JES})$ を通じて取り入れる。
• ハドロン的崩壊する $W$ ボソンからのジジェット質量が 80.4 GeV に一致するように要件を課すことにより、イン・サイトでのジェットエネルギースケール（JES）補正を実施し、JES関連の不確実性を約 0.5% に低減する。
• $W+4$ ジェット生成のための VECBOS 行列式要素を用いてバックグラウンド寄与を扱い、$b$-タギングの整合性に基づいて重み付けされた全 24 種類のジェット-パートン割り当てを合算する。
• 理論的計算（NLO+NNLL、近似 NNLO）を用いて、測定された $t\bar{t}$ 截面を $m_{\rm top}^{\rm pole}$ に結びつける。$m_{\rm top}^{\rm MC}$ 依存性に対する補正を適用する。
• テンプレートベースの運動量再構成を用いて、平均トップクォーク質量からの制約を受ける形で、質量差 $\Delta m = m_t - m_{\bar{t}}$ を直接測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 テバトロンにおいて $\ell+{\rm jets}$ 終状態を用いた場合、トップクォーク質量の測定で達成可能な最も正確な値は何か？
• RQ2 特にジェットエネルギースケールとパートンシューティングモデルの不確実性が、$m_{\rm top}$ の精度にどのように影響するか？
• RQ3 高次のQCD計算を用いることで、測定された $t\bar{t}$ 截面からどれほど正確にトップクォーク質量を決定できるか？
• RQ4 トップクォークと反トップクォークの間の質量差の証拠があり、$\mathcal{CPT}$ 違反を示唆する可能性はあるか？
• RQ5 完全な統合 luminosity データを用いた場合、テバトロンでの最終的な $m_{\rm top}$ 測定の期待される精度はどの程度か？

主な発見

• CDF および D0 のデータを用いたテバトロンの結合測定で、最大 5.8 fb⁻¹ を使用した結果、世界平均のトップクォーク質量は $m_{\rm top} = 173.2 \pm 0.9$ GeV に達し、相対精度は 0.54% に達している。
• D0 は 3.6 fb⁻¹ を用いて $\ell+{\rm jets}$ チャネルで $m_{\rm top} = 174.9 \pm 0.8~{(\rm stat)} \pm 0.8~{(\rm JES)} \pm 1.0~{(\rm syst)}$ GeV を測定し、相対不確実性 0.9% を達成した。
• CDF は 5.6 fb⁻¹ を用いて $\ell+{\rm jets}$ チャネルで $m_{\rm top} = 173.0 \pm 0.7~{(\rm stat)} \pm 0.6~{(\rm JES)} \pm 0.9~{(\rm syst)}$ GeV を測定し、相対不確実性 0.6% を達成した。
• トップ-アンチトップ質量差の直接測定では、D0 が $\Delta m = 0.8 \pm 1.8$ GeV、CDF が $\Delta m = -2.0 \pm 1.3$ GeV を得ており、両者とも標準模型の予測（ゼロ）と整合している。
• D0 は 5.3 fb⁻¹ の $t\bar{t}$ 截面測定を用いて、NLO+NNLL および近似 NNLO 計算を用いて $m_{\rm top}^{\rm pole} = 163.0^{+5.1}_{-4.6}$ GeV および $167.5^{+5.2}_{-4.7}$ GeV を抽出した。
• 約 10.5 fb⁻¹ の完全な統合 luminosity を得ることで、統計的および系統的不確実性が大きなサンプルによる補正で低減され、特に D0 での精度向上が期待される。