[논문 리뷰] Measurements of the top quark mass at the tevatron

O. Brandt|arXiv (Cornell University)|2012. 04. 04.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 페르미랩 테바트론의 CDF 및 D0 협력에서 통합 루미너시 최대 8.7 fb⁻¹를 사용하여 탑 쿼크 질량의 가장 정밀한 측정을 제시한다. 매트릭스 원소 기법과 현장 내에서의 제트 에너지 스케일 보정을 적용하여, 테바트론 조합 결과로 세계 평균 탑 쿼크 질량은 173.2 ± 0.9 GeV로 도출되었으며, 상대 정밀도는 0.54%에 이르렀다.

ABSTRACT

The mass of the top quark (\mtop) is a fundamental parameter of the standard model (SM). Currently, its most precise measurements are performed by the CDF and D0 collaborations at the Fermilab Tevatron $p\bar p$ collider at a centre-of-mass energy of $\sqrt s=1.96 \TeV$. We review the most recent of those measurements, performed on data samples of up to 8.7 \fb\ of integrated luminosity. The Tevatron combination using up to 5.8 fb$^{-1}$ of data results in a preliminary world average top quark mass of $m_{ m top} = 173.2 \pm 0.9$ GeV. This corresponds to a relative precision of about 0.54%. We conclude with an outlook of anticipated precision the final measurement of \mtop at the Tevatron.

연구 동기 및 목표

• 테바트론 프로톤-양프로톤 충돌기에서의 데이터를 이용하여 탑 쿼크 질량 측정의 최고 수준의 정밀도를 달성하기 위해.
• 표준모형의 일致성을 검증하기 위해 $m_{\rm top}$-$m_W$ 평면을 통해 힉스 보손 질량을 제약하기 위해.
• 높은 정밀도로 탑 쿼크 성질을 측정하여 표준모형을 초월한 물리 현상을 탐색하기 위해.
• 탑 쿼크와 반탑 쿼크 질량의 차이를 측정하여 $\mathcal{CPT}$ 위반 가능성을 조사하기 위해.
• 향후 LHC 결과(ATLAS 및 CMS 포함)를 포함한 세계적 수준의 탑 쿼크 질량 측정 조합을 준비하기 위해.

제안 방법

• 측정된 관측량을 기반으로 한 사건이 주어진 $m_{\rm top}$ 가설 하에 탑 쿼크 쌍 생성에서 기인할 확률을 계산하기 위해 매트릭스 원소(ME) 방법을 사용한다.
• 신호 확률 $\mathcal{P}_{\rm sig}(x,m_{\rm top},k_{\rm JES})$ 는 $t\bar{t}$ 생성을 위한 LO 매트릭스 원소를 모델링하고, 검출기 효과는 전이 함수 $W(x,y,k_{\rm JES})$ 를 통해 포함한다.
• 이중 제트 질량이 80.4 GeV이 되도록 요구함으로써 현장 내에서의 제트 에너지 스케일(JES) 보정을 수행하여, JES 관련 불확실성을 약 0.5%로 감소시킨다.
• W+4 제트 생성을 위한 VECBOS 매트릭스 원소를 사용하여 배경 기여를 고려하고, $b$-태깅 일치도에 따라 가중된 24개의 가능한 제트-파트온 할당을 모두 합산한다.
• 이론적 계산(NLO+NNLL, 근사 NNLO)을 활용하여 측정된 $t\bar{t}$ 단면적과 $m_{\rm top}^{\rm pole}$ 를 연결하고, $m_{\rm top}^{\rm MC}$ 의 의존성에 대한 보정을 적용한다.
• 템플릿 기반 운동량 재구성을 사용하여 평균 탑 쿼크 질량에서의 제약 조건을 충족시키는 직접적인 질량 차이 $\Delta m = m_t - m_{\bar{t}}$ 를 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 테바트론에서 $\ell+{\rm jets}$ 최종 상태를 사용하여 얻을 수 있는 탑 쿼크 질량 측정의 가장 정밀한 결과는 무엇인가?
• RQ2 특히 제트 에너지 스케일과 파르톤 샤워 모델링에 기인한 시스템적 불확실성은 $m_{\rm top}$ 의 정밀도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고차항 양자 chromodynamics 계산을 사용하여 측정된 $t\bar{t}$ 단면적에서 탑 쿼크 질량을 얼마나 정밀하게 결정할 수 있는가?
• RQ4 탑과 반탑 쿼크 간 질량 차이가 존재하는 증거가 있으며, 이는 $\mathcal{CPT}$ 위반 가능성을 시사하는가?
• RQ5 완전한 루미너시 데이터를 사용할 경우, 테바트론에서의 최종 $m_{\rm top}$ 측정 정밀도는 기대되는가?

주요 결과

• CDF 및 D0 데이터의 테바트론 조합 결과로 최대 5.8 fb⁻¹를 사용하여 세계 평균 탑 쿼크 질량은 $m_{\rm top} = 173.2 \pm 0.9$ GeV로 도출되었으며, 상대 정밀도는 0.54%에 이르렀다.
• D0는 3.6 fb⁻¹를 사용하여 $\ell+{\rm jets}$ 채널에서 $m_{\rm top} = 174.9 \pm 0.8~{(\rm stat)} \pm 0.8~{(\rm JES)} \pm 1.0~{(\rm syst)}$ GeV를 측정하였으며, 상대 불확실도는 0.9%에 이르렀다.
• CDF는 5.6 fb⁻¹를 사용하여 $\ell+{\rm jets}$ 채널에서 $m_{\rm top} = 173.0 \pm 0.7~{(\rm stat)} \pm 0.6~{(\rm JES)} \pm 0.9~{(\rm syst)}$ GeV를 측정하였으며, 상대 불확실도는 0.6%에 이르렀다.
• 직접 측정된 탑-반탑 질량 차이는 D0에서 $\Delta m = 0.8 \pm 1.8$ GeV, CDF에서 $\Delta m = -2.0 \pm 1.3$ GeV로 도출되었으며, 모두 표준모형 예측인 0과 일치한다.
• D0는 5.3 fb⁻¹에서 측정된 $t\bar{t}$ 단면적을 사용하여 NLO+NNLL 및 근사 NNLO 계산을 적용하여 $m_{\rm top}^{\rm pole} = 163.0^{+5.1}_{-4.6}$ GeV 및 $167.5^{+5.2}_{-4.7}$ GeV를 추출하였다.
• 약 10.5 fb⁻¹의 완전한 루미너시를 사용할 경우, 통계적 및 시스템적 불확실성이 증가한 보정 샘플로 인해 정밀도 향상이 기대되며, 특히 D0에서 더 뚜렷한 향상이 예상된다.