[논문 리뷰] Measurement of the top-quark mass using a leptonic invariant mass in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13~ extrm{TeV}$ with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 √s = 13 TeV에서 t¯t 사건에서 W 보손 붕괴에서 비롯된 렙톤(e 또는 μ)과 b-하드론 붕괴에서 비롯된 뮤온의 진동 질량을 이용하여 탑-夸克 질량의 정밀 측정을 제시한다. 이 방법은 36.1 fb⁻¹의 ATLAS 데이터에 대해 이산화 템플릿 최대우도 추정을 적용하여 mt = 174.41 ± 0.39 (통계) ± 0.66 (계측) ± 0.25 (반동) GeV의 결과를 도출하였으며, 이는 체계적 통제의 향상과 글로벌 피팅 결과와의 일관성에서 뚜렷한 개선을 나타낸다.

ABSTRACT

A measurement of the top-quark mass ($m_t$) in the $t\bar{t} ightarrow~ extrm{lepton}+ extrm{jets}$ channel is presented, with an experimental technique which exploits semileptonic decays of $b$-hadrons produced in the top-quark decay chain. The distribution of the invariant mass $m_{\ell\mu}$ of the lepton, $\ell$ (with $\ell=e,\mu$), from the $W$-boson decay and the muon, $\mu$, originating from the $b$-hadron decay is reconstructed, and a binned-template profile likelihood fit is performed to extract $m_t$. The measurement is based on data corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13~ extrm{TeV}$$pp$ collisions provided by the Large Hadron Collider and recorded by the ATLAS detector. The measured value of the top-quark mass is $m_{t} = 174.41\pm0.39~( extrm{stat.})\pm0.66~( extrm{syst.})\pm0.25~( extrm{recoil})~ extrm{GeV}$, where the third uncertainty arises from changing the PYTHIA8 parton shower gluon-recoil scheme, used in top-quark decays, to a recently developed setup.

연구 동기 및 목표

• 새로운 진동 질량 관측량을 사용하여 t¯t → ℓ+jets 채널에서 탑-夸크 질량 측정의 정밀도를 향상시키기 위해.
• 보정 불필요한 관측량을 사용하여 제트 에너지 스케일과 탑-夸크 생성 모델링에 대한 민감도를 감소시키기 위해.
• 이론적 해석의 일관성을 시험하기 위해 체계적 불확실성이 다름을 가지는 측정을 도입하기 위해.
• 글로벌 전자약력 피팅과 탑-夸크 물리학에 경쟁 가능한 입력을 제공하기 위해.

제안 방법

• W 보손 붕괴에서 비롯된 렙톤(ℓ = e, μ)과 반응성 있는 b-하드론 붕괴에서 비롯된 뮤온의 진동 질량 mℓμ를 재구성한다.
• 다양한 탑-夸크 질량 가설에 따른 시뮬레이션된 mℓμ 분포를 데이터와 비교하기 위해 이산화 템플릿 최대우도 추정을 사용한다.
• Pythia8를 사용하여 b-하드론 붕괴와 무거운 쿼크 분리 현상을 모델링하고 전용 글루온 반동 체계를 적용한다.
• 에너지 해상도, 재구성 효율성, 운동량 스케일을 고려하기 위해 세밀한 검출기 시뮬레이션과 보정을 적용한다.
• 신호 모델링, 배경 추정, 검출기 응답, 부분자 방출 효과에 대한 체계적 불확실성 평가를 수행한다.
• ATLAS 검출기가 수집한 √s = 13 TeV에서의 36.1 fb⁻¹의 pp 충돌 데이터를 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 레프톤의 진동 질량 관측량을 사용함으로써 제트 에너지 스케일에 대한 민감도가 감소하는 탑-夸크 질량 측정이 가능한가?
• RQ2 mℓμ 기반 방법은 기존의 재구성 기법에 비해 정밀도와 체계적 통제 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 Pythia8 부분자 방출 반동 체계의 변화가 최종 탑-夸크 질량 결정에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 방법은 이전 측정에 비해 글로벌 전자약력 피팅 결과와의 일관성에서 얼마나 향상되는가?
• RQ5 이 방법은 탑-夸크 생성 운동학과 제트 에너지 보정에 대한 의존도를 줄일 수 있는가?

주요 결과

• 측정된 탑-夸크 질량은 mt = 174.41 ± 0.39 (통계) ± 0.66 (계측) ± 0.25 (반동) GeV이며, 세 번째 불확실성은 Pythia8 부분자 방출 반동 체계의 변화에서 기인한다.
• 통계적 불확실성은 0.39 GeV이며, 주요 체계적 불확실성은 0.66 GeV이고, 반동 불확실성은 0.25 GeV이다.
• 기존의 재구성 기법에 비해 제트 에너지 스케일과 탑-夸크 생성 모델링에 대한 민감도가 감소한 것으로 나타났다.
• 결과는 간접적인 글로벌 전자약력 피팅 값 mt = 176.4 ± 2.1 GeV와 일관되나, 중심 값이 낮게 나타났다.
• 이 측정은 t¯t → ℓ+jets 채널의 정밀도를 향상시키며, 체계적 불확실성이 다름을 가지는 보완적인 방법을 제공한다.
• 분석은 고에너지 pp 충돌에서 mℓμ를 탑-夸크 질량 측정에 있어 강력한 관측량으로 사용할 수 있음을 입증한다.