[논문 리뷰] Studies of highly-boosted top quarks near the TeV scale using jet masses at the LHC

B. Auerbach, S. Chekanov외 1명|arXiv (Cornell University)|2013. 01. 24.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 4인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 $√{s} = 14$ TeV에서의 포함성 $pp$ 충돌에서 고도로 부스터된 톰 쿼크를 탐지하기 위해 데이터 기반의 제트 질량 분포 분석을 제안한다. 빠른 검출기 효과를 고려한 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여, 제트 질량만으로도 $t\bar{t}$ 과정에 대한 aNNLO 예측의 두 배 이상의 포함성 생산 단면적이 초과될 경우 톰 쿼크를 식별할 수 있음을 보여주며, $b$-태깅이 표준모형 $t\bar{t}$ 사건 관측을 위한 신호 대 배경 비율을 크게 향상시킴을 확인한다.

ABSTRACT

Studies of highly-boosted top quarks produced inclusively in pp collisions at 14 TeV are discussed. The hadronic decays of boosted top quarks was studied in a data-driven approach by analysing shapes of jet-mass distributions. Using Monte Carlo models after a fast detector simulation, it is shown that inclusive production of boosted top quarks can be observed if it has a cross section at least twice larger than the prediction from the approximate next-to-next-to-leading-order (aNNLO) calculation for the ttbar process. The ttbar process with the nominal aNNLO strength can be measured using the masses of jets after a b-tagging.

연구 동기 및 목표

• 고도로 부스터된 톰 쿼크를 포함성 $pp$ 충돌에서 $√{s} = 14$ TeV에서 제트 질량 분포만을 사용하여 데이터 기반 방법으로 식별하는 데 목적이 있다.
• 포함성 단면적이 $t\bar{t}$ 과정에 대한 aNNLO 예측의 두 배 이상 초과될 경우, 고-$p_T$ 제트에서 톰 쿼크를 관측할 수 있는지의 가능성을 평가하는 데 목적이 있다.
• 고-$p_T$ 제트에서의 $t\bar{t}$ 생성에 대해 $b$-태깅이 신호 대 배경 비율을 얼마나 효과적으로 향상시키는지 평가하는 데 목적이 있다.
• 서브스트럭처 기법에 의존하지 않고도 제트 질량 형태 분석이 고도로 부스터된 톰 쿼크를 감지하는 민감한 탐사 수 Mittel로 기능할 수 있음을 보여주는 데 목적이 있다.

제안 방법

• 고-$p_T$ 제트에서 $√{s} = 14$ TeV에서의 톰 쿼크 붕괴로부터 유래한 제트 질량을 모의하기 위해 빠른 검출기 시뮬레이션을 포함한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• 신호 특성으로서 170 GeV 근처에 나타나는 볼록한 피크를 식별하기 위해 제트 질량 분포의 형태를 분석하며, 배경은 부드럽게 감소하는 형태를 가정한다.
• QCD 다중제트 배경에 170 GeV 근처에 볼록한 피크가 없음을 모델링하기 위해 분석적 배경 피팅 함수를 사용하여 데이터 기반의 신호 추출을 가능하게 한다.
• $b$-태깅을 적용하여 QCD 다중제트 배경을 억제하고 $t\bar{t}$ 사건에 대한 신호 가시성을 향상시킨다.
• 선택 조건 및 기기 효과의 변화를 통한 시스템적 불확실성 평가를 수행하며, 데이터 기반 피팅 절차를 유지할 경우 신호 강도는 유지됨을 확인한다.
• $b$-태깅 유무에 따라 신호 대 배경 비율을 비교하여 감지 가능성 향상 정도를 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LHC에서 고-$p_T$ 제트에서의 포함성 생산에 대해 제트 질량 분포만으로도 고도로 부스터된 톰 쿼크를 민감하게 탐지할 수 있는가?
• RQ2 제트 질량 형태 분석을 통해 부스터된 톰 쿼크를 관측하기 위해, aNNLO $t\bar{t}$ 예측을 초월한 톰 쿼크 단면적의 최소 증가율은 얼마여야 하는가?
• RQ3 고-$p_T$ 제트에서의 $t\bar{t}$ 생성에 대해 $b$-태깅은 얼마나 효과적으로 신호 대 배경 비율을 향상시키는가?
• RQ4 부드럽게 감소하는 QCD 배경이 존재하는 조건에서, 분석적 배경 템플릿 기반의 데이터 기반 접근법이 얼마나 잘 톰 쿼크 신호를 탐지할 수 있는가?

주요 결과

• 포함성 톰 쿼크 생산 단면적이 $t\bar{t}$ 과정에 대한 aNNLO 예측의 두 배 이상 초과될 경우, 제트 질량 분포에서 170 GeV 근처에 나타나는 신호 피크를 탐지할 수 있다.
• 데이터 기반 피팅 절차를 유지할 경우, 제트 에너지 스케일 이격 등의 시스템적 변동에도 불구하고 방법이 강인함을 확인하였다.
• $b$-태깅을 통합할 경우 QCD 다중제트 배경이 최소 두 배 이상 감소하여, 기대되는 aNNLO 단면적 수준에서 $t\bar{t}$ 사건을 명확히 관측할 수 있다.
• 서브스트럭처 변수를 사용하지 않는 제트 질량 형태 분석은 포함성 $pp$ 충돌에서 고도로 부스터된 톰 쿼크를 감지하는 실현 가능하고 민감한 방법이다.
• 이 방법은 고 $p_T$ 영역에서 표준모형을 초월한 증가된 단면적을 예측하는 이국적 모델들, 예를 들어 $Z'$ 및 칼루차-클라인 글루온을 배제할 수 있다.