[논문 리뷰] Measurement of the top quark pole mass using $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $+jet events in the dilepton final state in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen외 2397명|arXiv (Cornell University)|2022. 01. 01.

Particle physics theoretical and experimental studies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 $√s} = 13$ TeV에서 양성자-양성자 충돌에서 36.3 fb$^{-1}$의 통합 루미너스를 사용하여 이전자 final state의 t\bar{t}$+jet 사건을 이용해 토프 쿼크의 폴 질량을 정밀하게 측정한다. 다변량 분석과 최대우도 복원을 통해 $ρ} = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 관측량에서 정규화된 미분 단면적을 이용하여, ABMP16 NLO PDF를 사용해 토프 쿼크의 폴 질량을 $m^\mathrm{pole}_t = 172.93 \pm 1.36$ GeV로 추출하였으며, 이는 프로파일링된 시스템적 불확실성으로 인해 실험적 정밀도가 크게 향상된 결과이다.

ABSTRACT

A measurement of the top quark pole mass $m_\mathrm{t}^ ext{pole}$ in events where a top quark-antiquark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$) is produced in association with at least one additional jet ($\mathrm{t\bar{t}}$+jet) is presented. This analysis is performed using proton-proton collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. Events with two opposite-sign leptons in the final state (e$^+$e$^-$, $μ^+μ^-$, e$^\pmμ^\mp$) are analyzed. The reconstruction of the main observable and the event classification are optimized using multivariate analysis techniques based on machine learning. The production cross section is measured as a function of the inverse of the invariant mass of the $\mathrm{t\bar{t}}$+jet system at the parton level using a maximum likelihood unfolding. Given a reference parton distribution function (PDF), the top quark pole mass is extracted using the theoretical predictions at next-to-leading order. For the ABMP16NLO PDF, this results in $m_\mathrm{t}^ ext{pole}$ = 172.93 $\pm$ 1.36 GeV.

연구 동기 및 목표

• 13 TeV에서 이전자 final state의 t\bar{t}+jet 사건을 이용해 토프 쿼크의 폴 질량을 향상된 정밀도로 측정한다.
• 최대우도와 프로파일링된 부수적 변수를 사용한 복원을 통해 검출기 효과와 이론적 모델링의 불확실성을 줄인다.
• 항상성 있는 미분 단면적을 $ρ}$ 관측량에서 추출하여 제트 방출 효과를 통해 토프 쿼크 질량에 대한 민감도를 높인다.
• 다음차 순서 QCD 예측을 사용함으로써 몬테카를로 질량 $m^\mathrm{MC}_t$와 폴 질량 $m^\mathrm{pole}_t$ 사이의 모호함을 최소화한다.

제안 방법

• 분석은 CMS 실험에서 확보한 $√s} = 13$ TeV에서 36.3 fb$^{-1}$의 양성자-양성자 충돌 데이터를 사용한다.
• 두 개의 반대 전하를 가진 렙톤과 최소한 하나의 제트를 포함하는 이전자 final state(예: e+e−, μ+μ−, e±μ∓)에서 사건을 선별한다.
• 기계 학습 기반의 다변량 분석 기법을 사용하여 사건 분류와 배경 억제를 최적화한다.
• 검출기 수준에서 정규화된 미분 단면적을 측정하고, 시스템적 불확실성에 대한 프로파일링된 부수적 변수를 사용한 최대우도 방법으로 부분자 수준으로 복원한다.
• $ρ} = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 관측량을 사용하여 토프 쿼크 폴 질량에 대한 민감도를 높이며, $m_0 = 170$ GeV로 설정한다.
• 복원된 단면적을 다음차 순서 이론 예측과 비교하여 ABMP16 NLO 부분자 분포 함수를 사용해 폴 질량을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 13 TeV에서 이전자 final state의 t\bar{t}+jet 사건으로부터 추출된 토프 쿼크 폴 질량 $m^\mathrm{pole}_t$의 값은 무엇인가?
• RQ2 t\bar{t}+jet 사건에서 제트 방출을 고려할 경우, 포함형 t\bar{t} 생성에 비해 토프 쿼크 폴 질량에 대한 민감도는 어떻게 향상되는가?
• RQ3 복원 과정에서 프로파일링된 시스템적 불확실성이 $m^\mathrm{pole}_t$의 실험적 불확실성에 얼마나 기여하는가?
• RQ4 측정된 $m^\mathrm{pole}_t$ 값은 이전 측정치와 이론적 기대치와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• ABMP16 NLO 부분자 분포 함수를 사용하여 토프 쿼크 폴 질량은 $m^\mathrm{pole}_t = 172.93 \pm 1.36$ GeV로 측정되었다.
• 최대우도 복원에서 부수적 변수를 프로파일링함으로써 실험적 불확실성이 크게 감소하여 기존의 접근 방식보다 정밀도가 향상되었다.
• 측정은 $ρ} = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 관측량에서 정규화된 미분 단면적을 사용하여 생산 임계점 근처에서 토프 쿼크 질량에 대한 민감도를 높였다.
• 결과는 이전 측정치와 일치하며, LHC에서의 경쟁 가능한 토프 쿼크 폴 질량 측정을 제공한다.
• 분석은 고정밀도 토프 쿼크 질량 측정에서 다변량 기법과 프로파일링된 시스템적 불확실성의 효과를 입증한다.
• 측정된 $m^\mathrm{pole}_t$ 값은 세계 평균과 일치하며, 전역 전자약력 피팅 및 힉스 보손 자기상호작용 연구에 기여한다.