[论文解读] b-Tagging Algorithms and their Performance at ATLAS

M. Lehmacher|ArXiv.org|Sep 29, 2008

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 11

一句话总结

本文对ATLAS实验中的b夸克喷注识别算法进行了全面评估，重点研究了利用衰变寿命和轻子衰变特征识别B介子喷注的性能。结果表明，利用约100 pb⁻¹的数据，通过二喷注和t\bar{t}事例可将b夸克喷注识别效率与轻夸克喷注拒识率校准至约6%的精度，从而支持关键的物理分析，如希格斯玻色子搜寻和顶夸克质量测量。

ABSTRACT

The ability to identify jets containing B hadrons is important for the high-pT physics program of a general-purpose experiment such as ATLAS. b-tagging is in particular useful for selecting very pure top quark samples, for studying standard model or supersymmetric Higgs bosons which couple preferably to heavy objects, for vetoing backgrounds for several physics channels and finally for searching for new physics beyond the standard model like supersymmetric particles or heavy gauge bosons. After a review of the algorithms used to identify b-jets, their anticipated performance is discussed as well as the impact of selected critical ingredients such as residual misalignments in the tracker. The prospects to measure the b-tagging performance in the first few hundreds pb-1 of data with di-jet events as well as ttbar events are presented. Finally three different physics use cases of b-tagging are summarised.

研究动机与目标

• 评估并比较ATLAS实验中多种b夸克喷注识别算法，利用衰变寿命和轻子衰变信息识别来自B介子的喷注。
• 开发并验证基于早期LHC数据（100 pb⁻¹）的数据驱动校准方法，用于b夸克喷注识别性能的校准。
• 证明利用二喷注和t\bar{t}事例可实现b夸克喷注识别效率与轻夸克喷注拒识率的高精度测量。
• 确立b夸克喷注识别在关键物理分析（如希格斯玻色子搜寻和顶夸克质量测量）中的关键作用。

提出的方法

• 采用基于似然比的识别方法，结合影响参数显著性、二级顶点重建和轻子动量，形成具有区分能力的喷注权重。
• 使用空间标签器（如IP3D、SV1）和轻子标签器（如JetProb、JetFitter），利用B介子衰变特性（如位移顶点和半轻衰变）进行识别。
• 利用二喷注事例和t\bar{t}衰变事件进行数据驱动的校准技术，测量不同pT和η区间内b夸克喷注识别效率与轻夸克喷注拒识率。
• 采用System 8和事例计数方法，通过求解来自不相关识别方法的方程组，实现约6%的相对精度来提取b夸克喷注识别效率。
• 利用运动学拟合、似然选择和拓扑判据，在t\bar{t}事例中识别b夸克喷注，以在pT和η区间内测量识别效率。
• 使用蒙特卡罗模拟验证性能，并应用不同喷注假设的参考直方图，用于训练和校准识别算法。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同pT和η区域，各种b夸克喷注识别算法在分离b夸克喷注与轻夸克喷注方面的性能如何？
• RQ2 仅利用约100 pb⁻¹的二喷注和t\bar{t}事例数据，能否以高精度校准b夸克喷注识别效率与轻夸克喷注拒识率？
• RQ3 不同校准方法（如System 8、事例计数）在精度和系统误差方面如何比较？
• RQ4 b夸克喷注识别对减少关键物理通道（如t\bar{t}H和顶夸克质量测量）中背景的影响如何？
• RQ5 追踪器错位和探测器效应如何影响b夸克喷注识别性能？这些影响在早期数据中是否可被缓解？

主要发现

• 在约50 pb⁻¹的数据下，System 8方法对绝对b夸克喷注识别效率的相对精度达到约6%，受限于系统误差。
• 在lepton+jets t\bar{t}通道中，事例计数方法在约100 pb⁻¹数据下实现约(2.2% 统计误差 ± 3.5% 系统误差)的相对精度。
• 在约200 pb⁻¹数据下，拓扑选择方法在pT和η区间内测量b夸克喷注识别效率的相对精度达到约(7.7% 统计误差 ± 3.2% 系统误差)。
• 在t\bar{t}H(H→bb)通道中，b夸克喷注识别将t\bar{t}jj背景降低两个数量级，使得在30 fb⁻¹数据下信号显著性达到S/√B ~ 2.2。
• 在t\bar{t} lepton+jets通道中，利用b夸克喷注作为质量估计器，可在1 fb⁻¹数据下实现1 GeV的顶夸克质量测量精度，受限于系统误差。
• JetFitter算法通过重建完整的B介子衰变链，包含了复杂的衰变拓扑结构，因此在所研究的标签器中表现最佳。