[논문 리뷰] Top quark mass in ATLAS

B. Pearson|arXiv (Cornell University)|2017. 11. 27.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 ATLAS 검출기로 8 TeV 프로톤-프로톤 충돌에서 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 붕괴 채널에서의 토프 쿼크 질량에 대한 새로운 직접 측정을 제시하며, 이전 측정 결과와 조합하여 세계 최고 수준의 정밀도 $m_{\mathrm{top}} = 172.51 \pm 0.27~\mathrm{(stat)} \pm 0.42~\mathrm{(syst)}~\mathrm{GeV}$를 달성한다. 이 결과는 간접적으로 결정된 펄스 질량 값과 다른 실험 결과와 일치하며, 여러 분석 간의 체계적 통제 및 상관관계 최소화를 반영한다.

ABSTRACT

ATLAS has made several measurements of the top quark mass using proton-proton collision data recorded in 2012 at the LHC with a centre-of-mass energy of 8 TeV. Those summarised here include an indirect determination of the top quark pole mass from lepton differential cross-sections; previous direct measurements of the top quark mass in the $t\bar{t} o extrm{dilepton}$ and $t\bar{t} o extrm{all-jets}$ decay channels as well as in the $t$-channel of single-top-quark production; and lastly, the new direct measurement of the top quark mass in the $t\bar{t} o extrm{lepton+jets}$ decay channel and its combination with previous measurements.

연구 동기 및 목표

• ATLAS 검출기를 사용하여 8 TeV에서 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 붕괴 채널에서의 토프 쿼크 질량 측정 정밀도를 향상시키는 것.
• 최근의 $t\overline{t}\to\textrm{dilepton}$ 및 $t\overline{t}\to\textrm{all-jets}$ 채널에서의 이전 ATLAS 결과들과 함께 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 측정 결과를 조합하여 더 정밀한 통합 $m_{\mathrm{top}}$ 값 도출하는 것.
• BDT와 템플릿 피팅을 포함한 최적화된 분석 전략을 통해 체계적 불확도를 최소화하고, 정확한 측정 간 상관관계 평가를 통해 견고한 조합을 수행하는 것.
• 통합 결과를 간접 결정 값과 다른 실험 결과와 비교하여 표준 모형 내에서의 일관성을 시험하는 것.

제안 방법

• $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 채널 측정은 신호 대 배경 분리 성능을 향상시키기 위해 부스팅된 결정 트리(BDT)를 사용하여 체계적 불확도를 감소시킨다.
• 토프 쿼크 질량은 템플릿 방법을 통해 추출되며, 다양한 $m_{\mathrm{top}}$ 값에서 시뮬레이션된 템플릿과 데이터 분포를 피팅하여 최적의 질량을 보간한다.
• 체계적 불확도는 제트 에너지 스케일(JES), b-제트 에너지 스케일(bJES), 그리고 파arton 분포 함수에 대한 변형을 통해 평가되며, 측정 간 상관관계는 명시적으로 계산된다.
• 최종 조합은 통계적 및 체계적 불확도와 그들의 상관관계를 모두 고려하는 최적의 선형 무편향 추정( BLUE ) 방법을 사용한다.
• 간접적인 토프 쿼크 펄스 질량 결정은 MCFM에서 제공하는 NLO QCD 예측을 사용하여 정규화된 미분 단면적의 렙톤 운동량 분포에 대한 피팅을 통해 도출된다.
• 측정 간 상관관계는 쌍별 이동도 플롯을 통해 정량화되며, 상관관계가 통합 불확도에 미치는 영향은 최적화를 안내하기 위해 시각화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 8 TeV에서 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 붕괴 채널에서의 새로운 직접 측정의 정밀도는 얼마인가?
• RQ2 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 측정 결과의 포함이 ATLAS 통합 $m_{\mathrm{top}}$ 결과의 총 불확도에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 특히 제트 에너지 스케일에 기인한 체계적 불확도가 개별 $m_{\mathrm{top}}$ 측정의 정밀도를 얼마나 제한하는가?
• RQ4 측정 간 상관관계가 통합 $m_{\mathrm{top}}$ 값의 최종 불확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 통합 $m_{\mathrm{top}}$ 결과는 간접적인 펄스 질량 결정 및 다른 실험 결과와 일관하는가?

주요 결과

• 최근의 7 TeV 측정 결과 대비 $t\overline{t}\to\textrm{lepton+jets}$ 채널에서의 새로운 직접 측정은 정밀도를 29% 향상시켰으며, 총 불확도는 0.50 GeV였다.
• ATLAS의 통합 결과인 $m_{\mathrm{top}} = 172.51 \pm 0.27~\mathrm{(stat)} \pm 0.42~\mathrm{(syst)}~\mathrm{GeV}$는 상대 정밀도 0.29%를 달성하여 당시 가장 정밀한 단일 측정 결과였다.
• 간접적으로 도출된 토프 쿼크 펄스 질량은 $m_{\mathrm{top}}^\mathrm{pole} = 173.2 \pm 0.9~\mathrm{(stat)} \pm 0.8~\mathrm{(syst)} \pm 1.2~\mathrm{(theo)}~\mathrm{GeV}$로 도출되었으며, 불확도 범위 내에서 직접 조합 결과와 일치하였다.
• 측정 결과의 조합은 가장 정밀한 단일 측정 결과보다 불확도를 크게 감소시켰으며, 분석 간 상관관계 최소화의 중요성을 입증하였다.
• 7 TeV의 $t\overline{t}\to\textrm{dilepton}$ 결과를 조합에 포함시키는 것은 유의미한 향상 없이, 현재 정밀도가 이미 가장 민감한 채널의 통계적 정밀도로 제한되어 있음을 시사한다.
• 최종 통합 불확도 0.50 GeV는 ±0.04 GeV의 정밀도로 알려져 있어 총 불확도 추정치에 대한 높은 신뢰도를 반영한다.