[論文レビュー] Top quark mass in ATLAS

B. Pearson|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いて8 TeVの陽子-陽子衝突において、$t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$崩壊チャンネルでのトップクォーク質量の新しい直接測定を提示し、過去の測定結果と組み合わせることで、$m_{\mathrm{top}} = 172.51 \pm 0.27~\mathrm{(stat)} \pm 0.42~\mathrm{(syst)}~\mathrm{GeV}$という世界最高の精度を達成した。この結果は、間接的極質量決定と他の実験結果と整合しており、複数の解析にわたるシステムティックな不確実性の制御と相関の最小化を反映している。

ABSTRACT

ATLAS has made several measurements of the top quark mass using proton-proton collision data recorded in 2012 at the LHC with a centre-of-mass energy of 8 TeV. Those summarised here include an indirect determination of the top quark pole mass from lepton differential cross-sections; previous direct measurements of the top quark mass in the $t\bar{t} o extrm{dilepton}$ and $t\bar{t} o extrm{all-jets}$ decay channels as well as in the $t$-channel of single-top-quark production; and lastly, the new direct measurement of the top quark mass in the $t\bar{t} o extrm{lepton+jets}$ decay channel and its combination with previous measurements.

研究の動機と目的

• 8 TeVにおけるATLAS検出器を用いた$t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$崩壊チャンネルにおけるトップクォーク質量測定の精度を向上させること。
• 新しい$t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$測定結果を、過去のATLASの$t\overline{t}\to\textrm{dilepton}$および$t\overline{t}\to\textrm{all-jets}$チャンネルの結果と組み合わせ、より精密な組み合わせ$m_{\mathrm{top}}$値を達成すること。
• BDTとテンプレートフィッティングの使用を含む最適化された解析戦略によりシステムティック不確実性を最小化し、正確な測定間の相関評価を実施して、信頼性の高い組み合わせを実現すること。
• 組み合わせ結果を、標準模型内での整合性を検証するために、間接的決定と他の実験結果とを比較すること。

提案手法

• $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$チャンネルの測定では、信号対バックグラウンドの分離を向上させるためにブーストドリフトツリー（BDT）が使用され、システムティック不確実性が低減された。
• トップクォーク質量はテンプレート法により抽出され、複数の$m_{\mathrm{top}}$値におけるシミュレーションテンプレートにデータ分布をフィットすることで、最適な質量を補間した。
• システムティック不確実性は、ジャットエネルギースケール（JES）、bジャットエネルギースケール（bJES）、およびパートン分布関数の変化を用いて評価され、測定間の相関は明示的に計算された。
• 最終的な組み合わせには、統計的およびシステムティック不確実性とそれらの相関を考慮した最良線形不偏推定量（BLUE）法が用いられた。
• トップクォーク極質量の間接的決定は、MCFMによるNLO QCD予測を用いた、レプトン運動量の正規化微分断面積へのフィットから得られた。
• 測定間の相関はペアワイズシフトプロットを用いて評価され、相関が組み合わせ不確実性に与える影響は可視化され、最適化を支援した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 8 TeVにおける$t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$崩壊チャンネルでのトップクォーク質量の新しい直接測定の精度はどの程度か？
• RQ2 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$測定結果の組み込みが、ATLASの組み合わせ$m_{\mathrm{top}}$結果における全体の不確実性をどの程度改善するか？
• RQ3 特にジャットエネルギースケールに起因するシステムティック不確実性が、個々の$m_{\mathrm{top}}$測定の精度をどの程度制限しているか？
• RQ4 測定間の相関が、組み合わせ$m_{\mathrm{top}}$値の最終的不確実性にどのように影響するか？
• RQ5 組み合わせ$m_{\mathrm{top}}$結果は、間接的極質量決定と他の実験結果と整合しているか？

主な発見

• 新しい$t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$チャンネルでの直接測定は、以前の7 TeV測定と比較して精度が29%向上し、総不確実性は0.50 GeVであった。
• ATLASの組み合わせ結果である$m_{\mathrm{top}} = 172.51 \pm 0.27~\mathrm{(stat)} \pm 0.42~\mathrm{(syst)}~\mathrm{GeV}$は、相対精度0.29%に達し、当時最も精密な単一測定であった。
• トップクォーク極質量の間接的決定では、$m_{\mathrm{top}}^\mathrm{pole} = 173.2 \pm 0.9~\mathrm{(stat)} \pm 0.8~\mathrm{(syst)} \pm 1.2~\mathrm{(theo)}~\mathrm{GeV}$が得られ、直接測定の組み合わせ結果と不確実性内に整合していた。
• 測定の組み合わせにより、最も精密な単一測定よりも不確実性が顕著に低減され、解析間の相関を最小化することが重要であることが示された。
• 7 TeVの$t\overline{t}\to\textrm{dilepton}$結果の組み込みは、有意な改善をもたらさなかったため、現在の精度は、最も感受性の高いチャンネルにおける統計的精度に既に制限されていることが示唆された。
• 最終的な組み合わせ不確実性0.50 GeVは、±0.04 GeVの精度で知られており、総不確実性推定値に対する高い信頼性を反映している。