[논문 리뷰] Treatment of top-quark backgrounds in extreme phase spaces: the "top $p_{T}$ reweighting" and novel data-driven estimations in ATLAS and CMS

L. Serkin|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 09.

Particle physics theoretical and experimental studies참고 문헌 2인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 몬테카를로 시뮬레이션에서 톰 쿼크의 횡방향 운동량에 대한 오모델링를 보정하기 위해 '상위 $p_{\mathrm{T}}$ 재가중' 기법을 제안하며, 이는 ATLAS 및 CMS 실험에서 LHC 데이터와의 일치도를 크게 향상시킨다. 또한 극단적인 위상공간(예: 높은 임펄스 수와 높은 $p_{\mathrm{T}}$)에서 $t\overline{t}$ 배경을 추정하기 위한 새로운 데이터 기반 방법을 도입하여 불확실한 시뮬레이션에 대한 의존도를 줄이고, 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상 탐색의 민감도를 높인다.

ABSTRACT

The top quark plays an important role in searches for physics beyond the SM, both as a dominant background and as a key signature for the signal. The most notable feature found in the top physics analyses in both ATLAS and CMS Collaborations: the disagreement between simulation and data of the top quark $p_{T}$ spectrum - is highlighted. A reweighting procedure which significantly improves the agreement between simulation and data, also known as the "top $p_{T}$ reweighting", is summarised. Commonly raised points concerning the reweighting to fixed-order predictions are discussed, and several refined approaches are mentioned. An overview of several data-driven methods developed and used to estimate the $t\bar{t}$ background in regions with large jet and b-jet multiplicities and/or high top quark $p_{T}$ is presented.

연구 동기 및 목표

• LHC에서 $t\overline{t}$ 사건에서 시뮬레이션과 관측된 톰 쿼크 $p_{\mathrm{T}}$ 스펙트럼 간의 지속적인 격차를 해결한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션의 정밀도를 향상시켜 톰 쿼크 측정 및 탐색의 시스템적 불확실성을 줄인다.
• 시뮬레이션이 신뢰할 수 없는 고다중도 및 고-$p_{\mathrm{T}}$ 영역에서 $t\overline{t}$ 배경을 추정하기 위한 데이터 기반 기법을 개발하고 검증한다.
• 모델링에 의존하는 시스템적 오차를 최소화하여 표준모형을 초월한 새로운 물리 현상 탐색을 극단적인 위상공간에서 더욱 견고하게 한다.

제안 방법

• 고정 순서 QCD 및 전자기적 보정(NNLO QCD 및 NLO EW)을 기준 예측으로 삼아, 측정된 미분 단면적과 NLO+PS 몬테카를로 예측의 비율에 기반한 경험적 재가중을 시뮬레이션된 $t\overline{t}$ 사건에 적용한다.
• 재가중에 사용된 기준 예측으로서 고정 순서 QCD 및 전자기 보정(NNLO QCD 및 NLO EW)을 활용하여 데이터와의 일치도를 향상시킨다.
• 함수적 피팅을 통한 $t\overline{t}$ 진동 질량 스펙트럼 피팅 및 커널 기반의 이차원 템플릿 구축과 같은 데이터 기반 배경 추정 기법을 구현한다.
• 제어 영역과 ABCD 방법을 사용하며 보정 요소를 적용하여 시뮬레이션에 의존하지 않고 신호 유사 영역에서 $t\overline{t}$ 수확량을 추정한다.
• 피팅 함수, 템플릿 형태, 그리고 임펄스 $p_{\mathrm{T}}$ 스펙트럼 가정을 변화시켜 시스템적 불확실성 평가를 수행한다.
• 고에너지 尾부에서 상관관계를 고려하기 위해 다중 관측량(예: 상위 $p_{\mathrm{T}}$ 및 $t\overline{t}$ 시스템 질량)에 대한 반복적 재가중을 시험한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고정 순서 계산에 기반한 상위 $p_{\mathrm{T}}$ 재가중이 $t\overline{t}$ 사건에서 시뮬레이션과 데이터 간의 일치도를 얼마나 향상시키는가?
• RQ2 MC 시뮬레이션이 실패하는 고다중도 및 고-$p_{\mathrm{T}}$ 영역에서 데이터 기반 배경 추정 기법의 성능은 어떠한가?
• RQ3 데이터 기반 $t\overline{t}$ 배경 추정에서 지배적인 불확실성 원인은 무엇이며, 어떻게 정량화되는가?
• RQ4 상위 $p_{\mathrm{T}}$와 $t\overline{t}$ 시스템 질량에 대한 이차원 재가중이 단일 변수 재가중보다 시뮬레이션 정확도를 향상시키는가?
• RQ5 ATLAS와 CMS는 고에너지 탐색에서 상위 $p_{\mathrm{T}}$ 재가중 및 데이터 기반 추정을 어떻게 다루는가?

주요 결과

• NNLO QCD + NLO EW 예측에 기반한 상위 $p_{\mathrm{T}}$ 재가중은 시뮬레이션과 데이터 간의 일치도를 크게 향상시켜 모델링 시스템적 오차를 감소시킨다.
• 재가중 절차는 ATLAS 및 CMS 양쪽 모두에서 분리된 상태와 부스트 상태 모두에서 톰 쿼크 $p_{\mathrm{T}}$ 스펙트럼의 격차를 줄였다.
• 함수적 피팅 및 커널 기반 템플릿 구축과 같은 데이터 기반 기법은 극단적인 위상공간에서 $t\overline{t}$ 배경을 성공적으로 모델링하였으며, 제어 샘플을 통한 유효성 검증을 통해 불확실성이 검증되었다.
• $Z^\prime \to t\overline{t}$ 탐색에서 부드러운 피팅을 통해 데이터로부터 유도된 배경 스펙트럼이 불확확도 내에서 표준모형 기대치와 일치하였다.
• $b$-태깅 독립성 가정을 사용한 $t\overline{t}t\overline{t}$ 탐색에서 시스템적 변형에 대해 일관된 결과를 도출하여 방법의 타당성을 검증하였다.
• 잔류 상관관계를 보정하는 보정 요소를 적용한 ABCD 방법은 제어 영역 연구를 통해 SUSY 탐색에서 신뢰할 수 있는 $t\overline{t}$ 추정이 가능함을 확인하였다.