[論文レビュー] Recent Top Quark Mass Measurements from CMS

Andrea Castro|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 10

ひとこと要約

本論文は、LHCのCMS実験が8 TeV（Run 1）および13 TeV（Run 2）のデータを用いて、単一トップ、ブーストドトップ、および代替観測量を含む複数の再構成技術を用いて、最新のトップクォーク質量測定を提示している。組み合わせ結果では0.28%の精度に達し、トップクォークは標準模型で最も正確に測定されたクォークとなった。その値は $ M_t = 172.44 \pm 0.49 \,\text{GeV} $ である。

ABSTRACT

A variety of top quark mass measurements has been made in the recent years by the CMS Collaboration. The most recent measurements performed at 8 TeV are reported here, along with a new measurement based on data collected in 2016 at 13 TeV. The current combination of these measurements has a relative uncertainty smaller than 0.3%, making the top quark the most accurately measured quark.

研究の動機と目的

• LHCで多様な再構成技術を用いて、トップクォーク質量を可能な限り高い精度で測定すること。
• イン・スイットキャリブレーションと代替観測量を用いて、ジェットエネルギースケール（JES）や部分子シャワーのモデル化に起因する系統的不確実性を低減すること。
• 標準模型の検証および新しい物理の探査を支援する、一貫性があり高精度な $ M_t $ 測定を提供すること。
• 複数のチャンネルを組み合わせ、独立した手法による検証を実施することで、トップクォーク質量の決定精度を向上させること。
• 0.3%未満の不確実性にまで低下させることで、$ M_t $ の世界的な平均値への貢献を行うこと。

提案手法

• 単一トップ $ \mu $+ジェッツ事象の不変質量 $ m_{\mu\nu b} $ に対してテンプレートフィッティング法を適用し、$ W $ ボソン質量の制約を加えて $ M_t $ を抽出する。
• ブーストドトップクォークジェットの微分断面積を $ m_{\text{jet}} $ の関数として分析し、$ M_t $ に敏感な正規化された分布を用いる。
• ジェットエネルギースケールの不確実性を回避するため、$ J/\psi $-レプトン不変質量や $ b\ell\nu $ システム質量といった代替観測量を用いる。
• 13 TeV $ \ell $+ジェッツチャンネルでアイソグラム法を用い、運動量再構成と尤度フィッティングを $ M_t $ および $ M_W $ に組み合わせ、イン・スイット JES スケール要因（JSF）キャリブレーションを含む。
• $ M_t $ と JES スケール要因 $ JSF $ を同時に決定するハイブリッドフィットを実施し、系統的誤差予算にその不確実性を組み込む。
• 統計的手法を用いて、異なるチャンネルおよび技術からの複数の測定値を組み合わせ、$ M_t $ における世界最高の精度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8 TeVおよび13 TeVのLHCデータを用いたトップクォーク質量の最も正確な測定値は何か？
• RQ2 標準的、ブーストド、および代替観測量の再構成技術は、系統的不確実性と精度の観点でどのように比較できるか？
• RQ3 イン・スイット JES キャリブレーションは、トップクォーク質量測定における系統的不確実性をどの程度低減できるか？
• RQ4 13 TeVデータからの結果は、以前のRun 1の測定値および世界的な平均値とどのように比較できるか？
• RQ5 $ J/\psi $ や $ b\ell\nu $ といった異なる観測量を用いた独立した測定は、一貫性のある $ M_t $ 値をもたらすか、全体の結果を検証できるか？

主な発見

• 8 TeVでの組み合わせCMS測定では $ M_t = 172.44 \pm 0.49 \,\text{GeV} $ が得られ、相対不確実性は0.28%に相当する。
• 13 TeV $ \ell $+ジェッツ測定では、合計不確実性が0.63 GeV（0.36%）に達し、$ M_t = 172.25 \pm 0.08 \,\text{(統計+JSF)} \pm 0.62 \,\text{(系統)} \,\text{GeV} $ となった。
• 13 TeV測定の系統的不確実性は、フラバー依存JES（0.39 GeV）、色再結合（0.31 GeV）、行列要素ジェネレータの選択（0.22 GeV）が主因である。
• $ b\ell\nu $ システム質量に基づく代替手法では $ M_t = 172.22 \pm 0.18 \,\text{(統計)} \pm 0.91 \,\text{(系統)} \,\text{GeV} $ が得られ、標準的手法と整合的である。
• $ t\bar{t} $ 戦断面積の比較による間接測定では $ M_t = 173.8^{+1.7}_{-1.8} \,\text{GeV} $ が得られ、直接測定と整合的だが不確実性がやや大きい。
• 最終的な組み合わせCMS結果は、2014年の世界的な平均値（$ M_t = 173.34 \pm 0.76 \,\text{GeV} $）よりも精度が高く、ATLASの結果とも一致しており、トップクォーク質量決定の高精度を確認した。