[論文レビュー] Top Quark Mass Extractions from Energy Correlators: A Feasibility Study

Jack Holguin, Ian Moult+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ブーストされたトップクォークジェットにおける3点エネルギー相関関数を用いてトップクォーク質量を抽出する新規手法を提案する。ウィークボソン質量を基準スケールとして用いる。広範なイベントジェネレータシミュレーションを用いて、実験的系arnessや摂動的でない効果に対して本手法が頑健であることを示し、全テストされた不確実性に対して質量シフトが100 MeV未塔である。これは、明確に定義された短距離スケールにおける高精度測定の可能性を示している。

ABSTRACT

In a recent article, we proposed an energy correlator-based method to achieve a precision top quark mass extraction from jet substructure, using the W-boson mass as a standard candle. In this paper, we perform an extensive event generator simulation study of this proposal, testing its experimental viability and its sensitivity to different subprocesses in the top quark production and decay. On the experimental side, we show that uncertainties in the jet energy scale, constituent energy scale, and tracking efficiency have a minimal effect. On the theoretical side, we find that our observable isolates the perturbative decay of the top quark. At the same time, nonperturbative physics, such as the modelling of color reconnection and the underlying event, has a negligible impact on the distribution. We conclude that our proposed measurement is resilient to the experimental and theoretical aspects of the hadron collider environment, with variations in model parameters consistently leading to ≲ 100 MeV shifts in the measured top mass. Our results motivate precision theoretical calculations of the energy correlator on top decays, both analytic and using parton shower generators, and further exploration of the experimental measurement.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突装置におけるエネルギー相関関数を用いた高精度トップクォーク質量抽出の可能性を評価すること。
• ジェットエネルギー スケール、成分エネルギー スケール、トラッキング効率を含む実験的再構成不確実性に対する本手法の感受性を評価すること。
• ハドロン化、色再結合、アンダーレイイングイベント、PDF、初期状態／最終状態放射といった摂動的でないおよび摂動的物理過程が抽出されたトップ質量に与える影響を調査すること。
• 部分素描モデル、ジェット半径、bクォークフラグメンテーションの変化に対する観測量の耐性をテストすること。
• エネルギー相関関数の因子分解定理および高次の計算に関する今後の理論的検討を促すこと。

提案手法

• 本手法は、ブーストされたトップクォークジェットにおける3点エネルギー相関関数を測定し、ウィークボソン質量を基準キャンドルとして用いてトップクォーク質量とウィークボソン質量の比を抽出する。
• トップクォーク生成および崩壊をさまざまな過程と検出器条件でモデル化するために、イベントジェネレータシミュレーション（例：Pythia, Herwig）を用いる。
• 異なるジェット半径、シャワーモデル、マッチング手順（LO 対 NLO）を比較することで、摂動的崩壊ダイナミクスを分離する。
• 主要パラメータの変動（ジェットエネルギー スケール、成分エネルギー スケール、トラッキング効率、PDF セット、bフラグメンテーション モデル）を用いて、系arness不確実性を定量化する。
• 本手法はジェット内の角度相関に依存するため、従来の質量測定と比較してエネルギー スケール不確実性に対して本質的に感受性が低い。
• 相関関数スペクトルにおけるピーク検出によりトップクォーク質量を抽出し、全変動における系統的シフトを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 エネルギー相関関数は、実験的系arnessに対して頑健な高精度のトップクォーク質量抽出を可能にするか？
• RQ2 エネルギー相関関数の観測量は、ハドロン化、色再結合、アンダーレイイングイベントといった摂動的でない効果に対してどの程度感受性を示すか？
• RQ3 初期状態および最終状態放射、部分素描関数分布関数といったトップ崩壊以外の摂動的ダイナミクスに対して、測定はどの程度感受性を示すか？
• RQ4 本手法は、摂動的崩壊を効果的に分離し、非摂動的物理の汚染を最小限に抑えることができるか？
• RQ5 bクォークフラグメンテーションおよびシャワーモデルの変化が抽出されたトップ質量にどの程度の影響を与えるか？

主な発見

• ジェットエネルギー スケール、成分エネルギー スケール、トラッキング効率に対する感受性が最小限であり、全テスト条件で質量シフトが100 MeV未塔である。
• 色再結合、アンダーレイイングイベント、ハドロン化といった非摂動的効果が引き起こす質量シフトは100 MeV未塔であり、強い頑健性を示している。
• PDF セット、初期状態および最終状態放射、ジェット半径の変化に対しても観測量は非常に耐性があり、すべてのシフトが約100 MeVの範囲内に収まっている。
• トップクォーク質量抽出は主にトップクォーク崩壊の摂動的記述に感受性を示しており、崩壊ダイナミクスの分離が確認された。
• bクォークフラグメンテーションパラメータ（例：StringZ:rFactB）の変化は無視できる影響しか与えず、抽出された質量に顕著なシフトは観察されなかった。
• これらの結果は、制御された不確実性のもとで明確に定義された短距離スケールにおけるエネルギー相関関数を用いた高精度トップクォーク質量測定の可能性を支持している。