[论文解读] Measurements of the top quark mass at the tevatron

O. Brandt|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 6

一句话总结

本文利用最多 8.7 fb⁻¹ 的积分 luminosity，报告了来自费米实验室 Tevatron 的 CDF 和 D0 合作组对顶夸克质量的最精确测量。通过矩阵元方法和原位喷流能量标度校准，Tevatron 联合分析得到世界平均顶夸克质量为 173.2 ± 0.9 GeV，相对精度达到 0.54%。

ABSTRACT

The mass of the top quark (\mtop) is a fundamental parameter of the standard model (SM). Currently, its most precise measurements are performed by the CDF and D0 collaborations at the Fermilab Tevatron $p\bar p$ collider at a centre-of-mass energy of $\sqrt s=1.96 \TeV$. We review the most recent of those measurements, performed on data samples of up to 8.7 \fb\ of integrated luminosity. The Tevatron combination using up to 5.8 fb$^{-1}$ of data results in a preliminary world average top quark mass of $m_{ m top} = 173.2 \pm 0.9$ GeV. This corresponds to a relative precision of about 0.54%. We conclude with an outlook of anticipated precision the final measurement of \mtop at the Tevatron.

研究动机与目标

• 利用 Tevatron 质子-反质子对撞机的数据，实现顶夸克质量测量的最高可能精度。
• 通过 $m_{\rm top}$-$m_W$ 平面约束，检验标准模型的自洽性并限制希格斯玻色子质量。
• 通过高精度测量顶夸克性质，探测标准模型之外的物理现象。
• 通过测量顶夸克与反顶夸克之间的质量差，检验潜在的 $\mathcal{CPT}$ 破坏。
• 为未来包含 LHC 结果（ATLAS 和 CMS）的世界范围顶夸克质量测量联合分析做好准备。

提出的方法

• 使用矩阵元（ME）方法计算在给定 $m_{\rm top}$ 假设下，具有测量可观测量的事件源自顶夸克对产生过程的概率。
• 利用 LO 矩阵元描述 $t\bar{t}$ 产生的信号概率 $\mathcal{P}_{\rm sig}(x,m_{\rm top},k_{\rm JES})$，并通过转移函数 $W(x,y,k_{\rm JES})$ 引入探测器效应。
• 通过要求胶子衰变的 $W$ 玻色子产生的二喷流质量为 80.4 GeV，实现原位喷流能量标度（JES）校准，将与 JES 相关的不确定度降低至约 0.5%。
• 使用 VECBOS 矩阵元模型处理 $W+4$ 喷流产生过程的背景贡献，并对所有 24 种可能的喷流-部分子分配进行加权，权重基于 $b$-标签一致性。
• 采用理论计算（NLO+NNLL，近似 NNLO）将测量的 $t\bar{t}$ 截面与 $m_{\rm top}^{\rm pole}$ 关联，同时对 $m_{\rm top}^{\rm MC}$ 依赖性进行修正。
• 采用基于模板的运动学重建方法，直接测量质量差 $\Delta m = m_t - m_{\bar{t}}$，并施加平均顶夸克质量的约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在 Tevatron 上，利用 $\ell+{\rm jets}$ 最终态，能够实现的顶夸克质量最精确测量是多少？
• RQ2 系统误差（特别是喷流能量标度和部分子辐射模型）如何影响 $m_{\rm top}$ 的精度？
• RQ3 在使用高阶 QCD 计算的情况下，从测量的 $t\bar{t}$ 截面中能多大程度上确定顶夸克质量？
• RQ4 是否存在顶夸克与反顶夸克之间质量差的证据，表明可能存在 $\mathcal{CPT}$ 破坏？
• RQ5 在完整亮度数据（约 10.5 fb⁻¹）下，Tevatron 最终 $m_{\rm top}$ 测量的预期精度是多少？

主要发现

• 利用最多 5.8 fb⁻¹ 数据的 CDF 和 D0 数据联合分析，得到世界平均顶夸克质量为 $m_{\rm top} = 173.2 \pm 0.9$ GeV，相对精度为 0.54%。
• D0 在 3.6 fb⁻¹ 数据下，于 $\ell+{\rm jets}$ 通道中测得 $m_{\rm top} = 174.9 \pm 0.8~{(\rm stat)} \pm 0.8~{(\rm JES)} \pm 1.0~{(\rm syst)}$ GeV，相对不确定度为 0.9%。
• CDF 在 5.6 fb⁻¹ 数据下，于 $\ell+{\rm jets}$ 通道中测得 $m_{\rm top} = 173.0 \pm 0.7~{(\rm stat)} \pm 0.6~{(\rm JES)} \pm 0.9~{(\rm syst)}$ GeV，相对不确定度为 0.6%。
• D0 对顶夸克与反顶夸克质量差的直接测量结果为 $\Delta m = 0.8 \pm 1.8$ GeV，CDF 的结果为 $\Delta m = -2.0 \pm 1.3$ GeV，两者均与标准模型预测的零质量差一致。
• D0 在 5.3 fb⁻¹ 数据下的 $t\bar{t}$ 截面测量结果，结合 NLO+NNLL 和近似 NNLO 计算，提取出 $m_{\rm top}^{\rm pole} = 163.0^{+5.1}_{-4.6}$ GeV 和 $167.5^{+5.2}_{-4.7}$ GeV。
• 在约 10.5 fb⁻¹ 的完整亮度下，精度预计将进一步提升，尤其在 D0 中，由于校准样本更大，统计和系统误差将显著降低。