[论文解读] Measurement of the jet mass in hadronic decays of boosted W bosons at 13 TeV and extraction of the W boson mass

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2026

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一句话总结

这项 CMS 研究在 13 TeV 质子-质子碰撞中测量了提升的 W 玻色子衰变为夸克的 groomed jet 质量，对 jet pT 与 soft-drop 质量的双差分截面进行展开，并从全喷注最终态中提取 W 质量（80.83 ± 0.55 GeV）。

ABSTRACT

The jet mass of W bosons decaying to a quark-antiquark pair is measured in W+jets events from proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV. The data used were collected by the CMS experiment at the CERN LHC and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. Hadronic decays of W bosons with high momenta produce strongly collimated decay products due to the large Lorentz boost, and are reconstructed as single large-radius jets. These jets have a characteristic substructure that is exploited to distinguish them from the large background of quark- and gluon-initiated jets. The jet mass is computed using the soft-drop algorithm, which suppresses soft wide-angle radiation that leads to a broadening of the jet mass distribution. For the first time, unfolded measurements are presented of the double-differential W+jets cross section as a function of the jet transverse momentum and soft-drop mass. From these distributions, the W boson mass is obtained, with a value of 80.83 $\pm$ 0.55 GeV, achieving the smallest uncertainty available today from an all-jets final state at a hadron collider.

研究动机与目标

• 测试并改进 W 玻色子产生中的 jet 子结构建模。
• 在数据中测量提升的 W→qq′ jets 的 groomed jet 质量分布。
• 将 jet 质量和 pT 分布以粒子水平进行展开（双差分）。
• 利用模板拟合从展开分布中提取 W 玻色子质量并进行截面修正。

提出的方法

• 重建主导 jet 并应用 soft-drop 去 groom 以获得 m_SD。
• 使用 Cambridge–Aachen 重新聚类并迭代去聚类来计算 grooming。
• 用 N2^(1) 和 ParticleNet–MD 对 jet 进行标记，以区分 W jet 与背景。
• 使用 DDT 方法使标记观测量与 m_SD 和 pT 解耦。
• 通过在 (pT, m_SD) 的最大似然模板拟合将数据展开到粒子水平。
• 从展开的分布中通过模板拟合和截面修正提取 m_W。

Figure 1: Feynman diagram for tree-level $\PW(\PQq\PAQq^{\prime})\text{+jets}$ production.

实验结果

研究问题

• RQ1 在 13 TeV pp 碰撞中是否可以测量提升的 W→qq′ jets 的 groomed jet mass 分布？
• RQ2 使用 jet-substructure 技术从全 hadronic W 衰变中提取 m_W 的精度达到何种程度？
• RQ3 数据与模拟中，jet substructure 模型对 W 起始的 jet 描述有多好？
• RQ4 展开到粒子水平对 jet mass 与截面测量有何影响？

主要发现

• 首次给出以 jet pT 与 soft-drop mass 为自变量的双差分 W+jets 截面的展开测量。
• 从展开分布中提取的 W 质量为 80.83 ± 0.55 GeV。
• 该测量在强子对撞机全 jet 末态中取得了迄今为止最小的不确定性。
• 使用了两种标记方法（N2^(1) DDt 和 ParticleNet MD DDt），其中 ParticleNet 在背景拒绝率相近的情况下具有更高的信号效率。
• grooming（soft-drop）与 pileup 缓解（PUPPI）使 m_SD 观测对 pileup 和次探测器效应具有鲁棒性。
• 该研究验证并为提升 W+jets 产生中的 jet 子结构建模提供了信息。

Figure 2: Acceptance as a function of $m_{\mathrm{SD}}^{\mathrm{ptcl}}$ without (left) and with (right) the requirement $N_{2}^{(1)}<0.2$ at the particle level. The acceptance is calculated using the $\PW(\PQq\PAQq^{\prime})\text{+jets}$ signal simulation with 2018 detector conditions.