[論文レビュー] Studies of highly-boosted top quarks near the TeV scale using jet masses at the LHC

B. Auerbach, S. Chekanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、$√s = 14$ TeVにおける包括的$pp$衝突において、データ駆動型の解析を用いて高エネルギー化したトップクォークを検出するためのジェット質量分布の分析を提案する。高速検出器効果を含むモンテカルロシミュレーションを用いて、トップクォークの包括的生成断面積がaNNLO予測の2倍以上に達する場合、ジェット質量のみでトップクォークを同定できることを示している。また、$b$-タギングにより、標準模型$t\bar{t}$イベントの信号対背景比が著しく向上し、観測が可能になることを示している。

ABSTRACT

Studies of highly-boosted top quarks produced inclusively in pp collisions at 14 TeV are discussed. The hadronic decays of boosted top quarks was studied in a data-driven approach by analysing shapes of jet-mass distributions. Using Monte Carlo models after a fast detector simulation, it is shown that inclusive production of boosted top quarks can be observed if it has a cross section at least twice larger than the prediction from the approximate next-to-next-to-leading-order (aNNLO) calculation for the ttbar process. The ttbar process with the nominal aNNLO strength can be measured using the masses of jets after a b-tagging.

研究の動機と目的

• 高エネルギー化したトップクォークを、$√s = 14$ TeVにおける包括的$pp$衝突において、ジェット質量分布のみを用いてデータ駆動型の手法で同定すること。
• トップクォークの包括的断面積が$t\bar{t}$過程のaNNLO予測を2倍以上上回る場合、高$p_T$ジェットにおけるトップクォークの観測が可能かどうかを評価すること。
• 高$p_T$ジェットにおける$t\bar{t}$生成において、$b$-タギングが信号対背景比をどの程度向上させるかを評価すること。
• サブストラクチャ技術に依存せずに、ジェット質量形状の解析がトップクォークを感受性高く探査できる手段であることを示すこと。

提案手法

• $√s = 14$ TeVにおける高$p_T$ジェット内のトップクォーク崩壊からのジェット質量を、高速検出器シミュレーションを含むモンテカルロシミュレーションでモデル化すること。
• 170 GeV付近のバンプがトップクォーク崩壊に特徴的であることを仮定し、滑らかに減少する背景を想定して、ジェット質量分布の形状を解析すること。
• QCDマルチジェット背景に170 GeV付近のハップがないことをモデル化するための解析的背景フィット関数を用い、データ駆動型の信号抽出を可能にすること。
• QCDマルチジェット背景を抑制し、$t\bar{t}$イベントの信号可視性を向上させるために$b$-タギングを適用すること。
• 選択カットや機器効果の変更による系誤差を評価し、データ駆動型フィッティングを維持することで信号強度が保持されることを確認すること。
• $b$-タギングの有無による信号対背景比の比較を行い、検出可能性の向上を定量化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LHCにおける高$p_T$ジェットにおける包括的生成のトップクォークを、ジェット質量分布のみで感受性高く探査できるか？
• RQ2 ジェット質量形状解析によってブーストドトップクォークを観測するには、aNNLO $t\bar{t}$予測を上回るトップクォーク断面積の最小増幅はどの程度必要か？
• RQ3 高$p_T$ジェットにおける$t\bar{t}$生成において、$b$-タギングは信号対背景比をどの程度向上させるか？
• RQ4 滑らかに減少するQCD背景が存在する状況において、解析的背景テンプレートに基づくデータ駆動型アプローチが、トップクォーク信号をどの程度まで検出可能か？

主な発見

• 包括的トップクォーク生成断面積がaNNLO予測の2倍以上に達する場合、ジェット質量分布における170 GeV付近の信号バンプを検出可能である。
• データ駆動型フィッティング手順を維持する限り、ジェットエネルギースケールのずれなどの系誤差変動に対しても、この手法は頑健である。
• $b$-タギングを組み込むことで、QCDマルチジェット背景が少なくとも2倍以上低減され、標準模型のaNNLO断面積レベルで$t\bar{t}$イベントの明確な観測が可能になる。
• サブストラクチャ変数を用いないジェット質量形状解析は、包括的$pp$衝突における高エネルギー化したトップクォークの検出に実用的かつ感受性の高い手法である。
• このアプローチは、高$p_T$で標準模型を上回る断面積を予測するような、$Z'$やカールツァ＝クライングルーオンなど、素粒子の新しいモデルを除外できる可能性を有する。