[논문 리뷰] Measurement of jet substructure in boosted $t\bar{t}$ events with the ATLAS detector using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions

G. Aad, B. Abbott외 2930명|arXiv (Cornell University)|2023. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 137인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 13 TeV의 140 fb⁻¹의 프로톤-프로톤 충돌 데이터를 사용하여 부스터드 토퍼-쿼크 쌍에서 제트 서브스트럭처를 고정밀도로 측정한다. 입자 수준의 위상공간에서 여덟 개인 서브스트럭처 변수에 대한 미분 단면적을 측정하였으며, Pythia 8 기반 몽테카를로 예측이 삼체 제트 구조를 잘 묘사하지 못하는 것으로 나타났다. 반면 Herwig 7 및 기타 행렬원소 모델은 더 나은 일치를 보이며, 부스터드 토퍼-쿼크에서의 파arton 샤워 및 하드론화 모델을 향상시킬 필요가 있음을 시사한다.

ABSTRACT

Measurements of the substructure of top-quark jets are presented, using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collision data recorded with the ATLAS detector at the LHC. Top-quark jets reconstructed with the anti-$k_{t}$ algorithm with a radius parameter $R=1.0$ are selected in top-quark pair ($t\bar{t}$) events where one top quark decays semileptonically and the other hadronically, or where both top quarks decay hadronically. The top-quark jets are required to have transverse momentum $p_\mathrm{T} > 350$ GeV, yielding large samples of data events with jet $p_\mathrm{T}$ values between 350 and 600 GeV. One- and two-dimensional differential cross-sections for eight substructure variables, defined using only the charged components of the jets, are measured in a particle-level phase space by correcting for the smearing and acceptance effects induced by the detector. The differential cross-sections are compared with the predictions of several Monte Carlo simulations in which top-quark pair-production quantum chromodynamic matrix-element calculations at next-to-leading-order precision in the strong coupling constant $\alpha_\mathrm{S}$ are passed to leading-order parton shower and hadronization generators. The Monte Carlo predictions for measures of the broadness, and also the two-body structure, of the top-quark jets are found to be in good agreement with the measurements, while variables sensitive to the three-body structure of the top-quark jets exhibit some tension with the measured distributions.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서 고운동량 토퍼-쿼크 제트의 서브스트럭처를 부스터드 토퍼-쿼크 쌍 이벤트에서 측정하기.
• 특히 삼체 붕괴 구조에 대해 몽테카를로 시뮬레이션의 정확도를 테스트하기.
• 제트 토폴로지 및 파arton 샤워에 민감한 변수들에서 데이터와 표준모형 예측 간의 불일치를 규명하기.
• 신물리 탐색에 관련된 고역동적 영역에서의 파arton 샤워 및 하드론화 효과에 대한 이해를 향상시키기.
• 향후 고정밀 서브스트럭처 관측량을 사용한 토퍼-쿼크 제트 태깅 및 표준모형을 초월한 탐색을 위한 기준 제공하기.

제안 방법

• 1개의 반반열성 및 1개의 하드론성 토퍼 붕괴 또는 둘 다의 이벤트에서 R = 1.0인 anti-kₜ 알고리즘을 사용해 토퍼-쿼크 제트를 재구성한다.
• 엄격한 선택 기준을 적용: 토퍼-쿼크 제트의 pT > 350 GeV로, 주로 350–600 GeV 범위에 집중한다.
• 양성입자 구성 요소에만 기반한 여덟 개의 서브스트럭처 변수를 측정: τ₂₁, τ₃₂, τ₃, D₂, C₃, pT 산산분포(pd∗T), 그리고 두 개의 추가 변수.
• 검출기 효과를 보정하고 입자 수준의 미분 단면적을 추출하기 위해 반복적 베이지안 복원 방법을 사용한다.
• 다양한 몽테카를로 생성기와 비교: Powheg+Pythia 8, aMC@NLO+Pythia 8, Herwig 7로, 파arton 샤워 및 하드론화 모델이 상이하다.
• 검출기 효과, 배경 모델링, 신호 시뮬레이션의 체계적 불확실성을 평가하며, 폐쇄 테스트를 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NLO 행렬원소 + LO 파arton 샤워 몽테카를로 시뮬레이션은 고pT 영역에서 부스터드 토퍼-쿼크 제트의 서브스트럭처를 얼마나 잘 묘사하는가?
• RQ2 τ₃₂, C₃ 등 삼체 제트 토폴로지에 민감한 변수들이 데이터에서 표준모형 예측과 얼마나 다를까?
• RQ3 파arton 샤워 및 하드론화 모델로 Pythia 8과 Herwig 7 중 어느 것이 관측된 제트 서브스트럭처 분포를 더 잘 재현하는가?
• RQ4 토퍼-쿼크 제트 질량과 운동량에 따라 제트 서브스트럭처 모델링에 체계적 불일치가 존재하는가?
• RQ5 최종 상태 방사선(FFS) 스케일의 변화는 데이터와 시뮬레이션 간의 일치를 향상시키는가, 아니면 악화시키는가?

주요 결과

• 표준 설정된 Powheg+Pythia 8 예측은 τ₂₁, ECF₂, D₂ 변수를 잘 묘사하지만, 관측된 τ₃₂, τ₃, C₃ 분포를 재현하지 못하며, 이는 예측보다 더 이중체 유사한 특성을 띤다.
• pT 산산분포(pd∗T) 변수는 표준 MC에 의해 잘못 묘사되며, 데이터는 예측보다 낮은 값에서 더 강한 피크를 보인다.
• Herwig 7 기반 예측은 Pythia 8보다 데이터와 더 나은 일치를 보이며, 특히 삼체 민감도 변수에서 파arton 샤워 및 하드론화의 더 나은 묘사를 시사한다.
• aMC@NLO+Pythia 8의 대안적 행렬원소 예측은 표준 Powheg+Pythia 8 설정보다 데이터와 더 나은 일치를 보인다.
• FSR 스케일을 증가시키면 데이터와의 일치가 악화되고, 감소시키면 향상되며, 이는 데이터가 표준 설정보다 더 높은 효과적인 αFSRs를 선호함을 시사한다.
• mtop와 ptopT가 낮을 때와 높을 때 τ₃₂와 D₂ 간의 상관관계에서 체계적 불일치가 관측되며, 이는 NLO 행렬원소 + 파arton 샤워 모델의 한계를 나타낸다.