[논문 리뷰] Measurement of the jet mass in hadronic decays of boosted W bosons at 13 TeV and extraction of the W boson mass

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 20.

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한 줄 요약

이 CMS 연구는 13 TeV pp 충돌에서 쿼크로 붕괴하는 부스트된 W 보손의 다듬어진 제트 질량을 측정하고, 제트 pT 및 소프트드롭 질량에 대한 이중 미분 단면을 펼친 뒤 모든-제트(final states)에서 W 질량(80.83 ± 0.55 GeV)을 추출합니다.

ABSTRACT

The jet mass of W bosons decaying to a quark-antiquark pair is measured in W+jets events from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data used were collected by the CMS experiment at the CERN LHC and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Hadronic decays of W bosons with high momenta produce strongly collimated decay products due to the large Lorentz boost, and are reconstructed as single large-radius jets. These jets have a characteristic substructure that is exploited to distinguish them from the large background of quark- and gluon-initiated jets. The jet mass is computed using the soft-drop algorithm, which suppresses soft wide-angle radiation that leads to a broadening of the jet mass distribution. For the first time, unfolded measurements are presented of the double-differential W+jets cross section as a function of the jet transverse momentum and soft-drop mass. From these distributions, the W boson mass is obtained, with a value of 80.83 $\pm$ 0.55 GeV, achieving the smallest uncertainty available today from an all-jets final state at a hadron collider.

연구 동기 및 목표

• W 보손 생성에서 제트 서브스트럭처의 모델링을 테스트하고 개선한다.
• 데이터에서 부스트된 W→qq′ 제트에 대한 다듬어진 제트 질량 분포를 측정한다.
• 제트 질량과 pT 분포를 입자 수준으로 펼친다(이중 미분).
• 펼친 분포를 템플릿 적합으로 이용해 W 보손 질량을 추출한다.

제안 방법

• 선도 제트를 재구성하고 소프트-드롭 다듬기를 적용하여 m_SD를 얻는다.
• Cambridge–Aachen 재군집화 및 반복적 디클러스터링을 사용하여 다듬기를 계산한다.
• N2^(1) 및 ParticleNet–MD로 제트를 태깅하여 W 제트와 배경을 구분한다.
• DDT 접근법을 사용하여 태깅 관측가능량을 m_SD 및 pT로부터 서로 독립시키다.
• 데이터를 (pT, m_SD)에서 최대가능도 템플릿 적합으로 입자 수준으로 펼친다.
• 템플릿 적합 및 단면 보정으로 펼친 분포에서 m_W를 추출한다.

Figure 1: Feynman diagram for tree-level $\PW(\PQq\PAQq^{\prime})\text{+jets}$ production.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV pp 충돌에서 부스트된 W→qq′ 제트의 다듬어진 제트 질량 분포를 측정할 수 있는가?
• RQ2 제트 서브스트럭처 기법을 사용하여 모든-하드론 W 붕괴에서 m_W를 어느 정도의 정밀도로 추출할 수 있는가?
• RQ3 데이터에서 W-유도 제트가 제트 서브스트럭처 모델에 대해 시뮬레이션과 얼마나 잘 설명되는가?
• RQ4 입자 수준으로 펼치는 것이 제트 질량 및 단면 측정에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 제트 pT와 소프트-드롭 질량에 따른 이중 미분 W+제트 교차단면의 펼친 측정이 처음으로 제시된다.
• 펼친 분포에서 W 보손 질량은 80.83 ± 0.55 GeV으로 추출된다.
• 이 측정은 hadron collider에서 모든 제트 final state로부터의 현재까지 가장 작은 불확실성을 달성한다.
• 두 가지 태깅 접근(N2^(1) DDt 및 ParticleNet MD DDt)이 사용되며, 비슷한 배경 거절에서 ParticleNet이 더 높은 신호 효율을 제공한다.
• 다듬기(soft-drop)와 적층 제거(PUPPI)는 m_SD 관측값을 pileup 및 부분검출기 효과에 대해 견고하게 만든다.
• 본 연구는 부스트된 W+제트 생산에서 제트 서브스트럭처 모델링을 검증하고 정보를 제공한다.

Figure 2: Acceptance as a function of $m_{\mathrm{SD}}^{\mathrm{ptcl}}$ without (left) and with (right) the requirement $N_{2}^{(1)}<0.2$ at the particle level. The acceptance is calculated using the $\PW(\PQq\PAQq^{\prime})\text{+jets}$ signal simulation with 2018 detector conditions.