[论文解读] Top-quark mass measurements at the LHC

Stijn Blyweert|arXiv (Cornell University)|May 10, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用 4

一句话总结

本文基于LHC上ATLAS与CMS实验在√s = 7 TeV下采集的最多4.7 fb⁻¹质子-质子碰撞数据，报告了顶夸克质量的更新测量结果。通过多重衰变道（双轻子、全 jets、ℓ+jets）结合运动学拟合与模板方法，合作组实现了亚GeV量级的测量精度。CMS在ℓ+jets道中报告mt = 172.6 ± 0.4(stat) ± 1.2(syst) GeV，ATLAS在全 jets 道中测得mt = 174.9 ± 2.1(stat) ± 3.8(syst) GeV，显著优于此前LHC的测量结果，并以更低的不确定性为世界平均值的确定做出贡献。

ABSTRACT

The top-quark mass mt is one of the fundamental parameters of the standard model (SM) of particle physics. The CDF and D0 collaborations already performed very precise measurements of mt . Since the ATLAS and CMS collaborations already have a very large sample of top quark pairs available for analysis, they are producing results with increasing precision. An overview of the most recent measurements of mt by ATLAS and CMS is given, using up to 4.7 fb-1 of data in different ttbar decay channels. The measurement of the mass difference between top and antitop quarks is also shown. Finally, the combination of the individually measured mt values is discussed, together with an outlook for future mt measurements.

研究动机与目标

• 在LHC上提供独立、高精度的顶夸克质量（mt）测量，以交叉检验来自Tevatron实验的世界平均值。
• 通过利用大规模数据集和t¯t事例中先进的重建技术，降低mt的总不确定性。
• 测量顶夸克与反顶夸克之间的质量差，作为CPT对称性的检验。
• 探索从t¯t产生截面中提取mt的方法，将实验数据与极质量（pole mass）和MS-bar质量定义相联系。
• 通过识别主要的系统性不确定度（尤其是喷流能量标度JES），为未来的高精度测量做好准备。

提出的方法

• 在双轻子道中使用KINb算法进行顶夸克质量的运动学重建，通过求解多个喷流-夸克分配方案的运动学方程，并选择有效解数量最多的方案。
• 在全 jets 道中应用质量χ²方法，通过最小化基于W玻色子和顶夸克质量约束的似然函数，识别最优的喷流-夸克分配。
• 在ℓ+jets道中采用Ideogram方法，结合多个喷流-夸克分配方案的事件级似然值，利用拟合质量与W玻色子质量的模拟分布。
• 对重建质量分布进行基于模板的最大似然拟合以提取mt，模板针对不同mt假设生成。
• 利用理论预测中σt¯t对mt的依赖关系，从测量的t¯t截面中提取极质量与MS-bar质量。
• 通过传播JES、b-夸克喷流能量标度、ISR/FSR及因子化尺度的不确定性，评估系统性不确定度，质量差测量中存在抵消效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于2011年LHC数据，顶夸克质量的最精确测量结果是什么？其与Tevatron结果相比如何？
• RQ2 不同衰变道（双轻子、全 jets、ℓ+jets）对mt测量整体精度的贡献如何？
• RQ3 顶夸克与反顶夸克之间的质量差测量结果是多少？是否支持CPT不变性？
• RQ4 能否从LHC上t¯t产生截面中可靠地提取顶夸克的极质量或MS-bar质量？
• RQ5 当前mt测量中，哪些系统性不确定度占主导？如何通过更多数据降低这些不确定度？

主要发现

• CMS在双轻子道中测得mt = 173.3 ± 1.2(stat) +2.5/-2.6(syst) GeV，实现了该道中LHC最精确的测量结果。
• ATLAS在全 jets 道中报告mt = 174.9 ± 2.1(stat) ± 3.8(syst) GeV，这是该末态在LHC上的首次测量。
• CMS在ℓ+jets道中利用Ideogram方法测得mt = 172.6 ± 0.6(stat) ± 1.2(syst) GeV，系统性不确定度主要来自b-夸克喷流能量标度。
• 测得的顶-反顶质量差为Δmt = -1.20 ± 1.21(stat) ± 0.47(syst) GeV，与零一致，支持CPT不变性。
• ATLAS从t¯t截面中提取出mt^pole = 166.4 +7.8/-7.3 GeV，CMS测得mt^pole = 170.3 +7.3/-6.7 GeV，以及mt^MS-bar = 163.1 +6.8/-6.1 GeV。
• CMS的联合结果为mt = 172.6 ± 0.4(stat) ± 1.2(syst) GeV，展示了未来数据增加后进一步提升精度的潜力。