[論文レビュー] Top-quark mass measurements at the LHC

Stijn Blyweert|arXiv (Cornell University)|May 10, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、LHCにおける√s = 7 TeVのプロトン-プロトン衝突データ最大4.7 fb⁻¹を用いて、ATLASおよびCMSが更新されたトップクォーク質量測定を報告している。双レプトン、全ジェット、ℓ+jetsの複数の崩壊チャンネルを用い、運動量フィット法とテンプレート法を適用することで、1 GeV未満の精度に到達した。CMSはℓ+jetsチャンネルでmt = 172.6 ± 0.4(stat) ± 1.2(syst) GeVを報告し、ATLASは全ジェットチャンネルでmt = 174.9 ± 2.1(stat) ± 3.8(syst) GeVを測定した。これは以前のLHC結果を著しく改善し、不確実性を低減させることで世界平均値への寄与を強化した。

ABSTRACT

The top-quark mass mt is one of the fundamental parameters of the standard model (SM) of particle physics. The CDF and D0 collaborations already performed very precise measurements of mt . Since the ATLAS and CMS collaborations already have a very large sample of top quark pairs available for analysis, they are producing results with increasing precision. An overview of the most recent measurements of mt by ATLAS and CMS is given, using up to 4.7 fb-1 of data in different ttbar decay channels. The measurement of the mass difference between top and antitop quarks is also shown. Finally, the combination of the individually measured mt values is discussed, together with an outlook for future mt measurements.

研究の動機と目的

• Tevatron実験からの世界平均値を検証するため、LHCで独立的かつ高精度のトップクォーク質量(mt)測定を提供すること。
• t¯t事象における大規模データセットと高度な再構築技術を活用して、mtの総不確実性を低減すること。
• CPT対称性のテストとして、トップクォークとアンチトップクォークの質量差を測定すること。
• t¯t生成断面積からのmt抽出を検討し、実験的データと極値質量およびMSバー質量定義を結びつけること。
• ジェットエネルギースケール(JES)を含む主要な系統的不確実性を特定し、今後の高精度測定に備えること。

提案手法

• 双レプトンチャンネルにおいて、KINbアルゴリズムを用いたトップクォーク質量の運動量再構築。複数のジェット-クォーク割り当てに対する運動量方程式を解き、有効な解の数が最も多い解を選択する。
• 全ジェットチャンネルにおける質量χ²法の適用。Wボソンおよびトップクォーク質量の制約に基づく尤度関数を最小化することで、最適なジェット-クォーク割り当てを同定する。
• ℓ+jetsチャンネルにおけるIdeogram法の使用。シミュレーションで得られた適合質量およびWボソン質量の分布を用いて、個々のイベントごとの尤度を複数のジェット-クォーク割り当てから合成する。
• 再構築された質量分布に対するテンプレートベースの最尤フィットを実施。テンプレートは複数のmt仮説に基づいて生成された。
• 理論的予測に基づき、σt¯tがmtに依存する関係を用いて、測定されたt¯t断面積から極値質量およびMSバー質量を抽出する。
• JES、bジェットエネルギースケール、ISR/FSR、因子化スケールの不確実性を伝搬することで系統的不確実性を評価。質量差測定ではキャンセル効果が見られた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2011年のLHCデータを用いたトップクォーク質量測定で、最も高精度な結果は何か。また、Tevatronの結果と比較するとどうなるか。
• RQ2 双レプトン、全ジェット、ℓ+jetsの各崩壊チャンネルは、mt測定の全体的な精度にどのように寄与しているか。
• RQ3 トップクォークとアンチトップクォークの質量差は測定されたか。CPT不変性を支持するか。
• RQ4 LHCにおいてt¯t生成断面積から、トップクォークの極値質量またはMSバー質量を信頼性高く抽出できるか。
• RQ5 現在のmt測定で支配的な系統的不確実性は何か。さらにデータを増やすことで、どのように低減できるか。

主な発見

• CMSは双レプトンチャンネルでmt = 173.3 ± 1.2(stat) +2.5/-2.6(syst) GeVを測定し、このチャンネルで最も高精度なLHC結果を達成した。
• ATLASは全ジェットチャンネルでmt = 174.9 ± 2.1(stat) ± 3.8(syst) GeVを報告し、この最終状態におけるLHC初の測定となった。
• CMSはIdeogram法を用いてℓ+jetsチャンネルでmt = 172.6 ± 0.6(stat) ± 1.2(syst) GeVを達成。系統的不確実性はbジェットエネルギースケールに支配されていた。
• 測定されたトップ-アンチトップ質量差はΔmt = -1.20 ± 1.21(stat) ± 0.47(syst) GeVであり、ゼロと整合的で、CPT不変性を支持する。
• ATLASはt¯t断面積からmt^pole = 166.4 +7.8/-7.3 GeVを抽出した。CMSはmt^pole = 170.3 +7.3/-6.7 GeVおよびmt^MS-bar = 163.1 +6.8/-6.1 GeVを測定した。
• 統合されたCMS結果ではmt = 172.6 ± 0.4(stat) ± 1.2(syst) GeVが得られ、データ量の増加に伴うさらなる精度向上の可能性を示した。