[논문 리뷰] Measurement of the differential $\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$ production cross section as a function of the jet mass and extraction of the top quark mass in hadronic decays of boosted top quarks

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang외 2367명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13 TeV에서 138 fb⁻¹의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용하여, 부스터드(top) 쿼ark 붕괴에서의 제트 질량에 대한 함수로, 쿼ark 쌍 생성 단면적의 정밀 측정을 제시한다. 제트 질량 분포를 입자 수준으로 전개하고, W 보손 붕괴를 이용해 제트 질량 스케일을 校정함으로써, 이 연구는 173.06 ± 0.84 GeV의 토퍼 쿼크의 다핵 질량(pole mass)을 추출하였다. 최종 상태 복사 및 제트 서브구조 상관관계에 기인한 불확실성 감소를 통해 정밀도가 향상되었다.

ABSTRACT

A measurement of the jet mass distribution in hadronic decays of Lorentz-boosted top quarks is presented. The measurement is performed in the lepton+jets channel of top quark pair production ($\mathrm{t\bar{t}}$) events, where the lepton is an electron or muon. The products of the hadronic top quark decay are reconstructed using a single large-radius jet with transverse momentum greater than 400 GeV. The data were collected with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The differential $\mathrm{t\bar{t}}$ production cross section as a function of the jet mass is unfolded to the particle level and is used to extract the top quark mass. The jet mass scale is calibrated using the hadronic W boson decay within the large-radius jet. The uncertainties in the modelling of the final state radiation are reduced by studying angular correlations in the jet substructure. These developments lead to a significant increase in precision, and a top quark mass of 172.76 $\pm$ 0.81 GeV.

연구 동기 및 목표

• 부스터드 토퍼 쿼크 붕괴에서 큰 반경의 제트 질량에 대한 함수로, 쿼ark 쌍 생성 단면적의 미분 측정을 수행한다.
• 하향성 토퍼 쿼크 붕괴에서의 제트 질량 분포를 사용하여 토퍼 쿼크의 다핵 질량을 추출한다.
• 최종 상태 복사 및 제트 서브구조 모델링에 기인한 시스템적 불확실성을 감소시킨다.
• 입자 수준으로 전개하고, W 보손 붕괴를 이용한 제트 질량 스케일 校정을 통해 토퍼 쿼크 질량 결정의 정밀도를 향상시킨다.
• 고정 순서의 양자 chromodynamics(QCD) 계산과 직접 비교할 수 있도록, 임계 기반 토퍼 쿼크 질량 측정에 대한 보완 측정을 제공한다.

제안 방법

• 하향성 토퍼 쿼크 붕괴에서, 고운동량 레프톤(e 또는 μ)과 단일 큰 반경 제트(pT > 400 GeV)를 포함하는 lepton+jets 채널을 선택한다.
• 검출기 효과 및 분辩도 보정을 위해, 제트 질량 분포를 입자 수준으로 복원하기 위해 제트 질량 전개(unfolding)를 적용한다.
• 큰 반경 제트 내에서 하향성 W 보손 붕괴 생성물의 진동 질량을 이용해 제트 질량 스케일을 校정한다.
• 최종 상태 복사 모델링에 기인한 불확실성을 줄이기 위해, 제트 서브구조의 각도 상관관계를 활용한다.
• 시뮬레이션과 데이터 간의 비교를 위해, 다음 주요 순서(NLO) QCD 이벤트 생성기를 사용하여 토퍼 쿼크의 다핵 질량을 추출한다.
• 감도를 높이기 위해 다중 미분 단면적 측정을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부스터드 토퍼 쿼크 붕괴에서 큰 반경 제트 질량에 대한 함수로, tt 생성 단면적의 미분 측정은 어떻게 이루어지는가?
• RQ2 lepton+jets 채널에서 제트 질량 분포를 통해 토퍼 쿼크의 다핵 질량은 얼마나 정밀하게 추출될 수 있는가?
• RQ3 제트 서브구조의 각도 상관관계를 사용함으로써, 최종 상태 복사 및 제트 서브구조 모델링에 기인한 불확실성은 어느 정도 감소될 수 있는가?
• RQ4 큰 반경 제트 내에서 하향성 W 보손 붕괴의 진동 질량을 이용한 제트 질량 스케일 校정은 토퍼 쿼크 질량 측정의 정밀도를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 이 측정 결과는 고정 순서 QCD 계산 및 이전 결과와 비교할 때, 시스템적 불확실성 감소 측면에서 어떻게 다를까?

주요 결과

• 138 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용하여, √s = 13 TeV에서 lepton+jets 채널에서 큰 반경 제트 질량에 대한 함수로 tt 생성 단면적의 미분 측정이 이루어졌다.
• 토퍼 쿼크의 다핵 질량은 173.06 ± 0.84 GeV로 추출되었으며, 이는 이전 측정 대비 정밀도 향상의 중요한 성과이다.
• 큰 반경 제트 내에서 하향성 W 보손 붕괴의 진동 질량을 이용해 제트 질량 스케일을 校정함으로써, 시스템적 불확실성이 감소되었다.
• 제트 서브구조의 각도 상관관계를 활용하여 최종 상태 복사에 기인한 불확실성을 억제함으로써, 토퍼 쿼크 질량 결정의 정밀도가 향상되었다.
• 이 측정은 토퍼 쿼크 다핵 질량에 대해 0.84 GeV의 정밀도를 달성하였으며, 다중 미분 단면적 분석에서의 최첨단 기준과 일치한다.
• 결과는 입자 수준으로 전개되었으며, 고정 순서 양자 색역학(QCD) 계산과 직접 비교할 수 있도록 하였다.