[论文解读] Combination of CDF and D0 results on the mass of the top quark using up $9.7\:{ m fb}^{-1}$ at the Tevatron

Tevatron Group Tevatron Electroweak Working Group|arXiv (Cornell University)|Aug 5, 2016

High-Energy Particle Collisions Research被引用 13

一句话总结

本文利用费米实验室 Tevatron 对撞机中 CDF 和 D0 实验的质子-反质子碰撞数据（最多 9.7 fb⁻¹），对顶夸克质量测量结果进行了高精度联合分析。通过仔细处理统计与系统性相关性，作者报告了顶夸克质量的初步平均值为 174.30 ± 0.65 GeV/c²，相对精度达到 0.37%。

ABSTRACT

We summarize the current top quark mass ($m_t$) measurements from the CDF and D0 experiments at Fermilab. We combine published results from Run I (1992--1996) with the most precise published and preliminary Run II (2001--2011) measurements based on $p\bar{p}$ data corresponding to up to $9.7\:{ m fb}^{-1}$ of $p\bar{p}$ collisions. Taking correlations of uncertainties into account, and combining the statistical and systematic contributions in quadrature, the preliminary Tevatron average mass value for the top quark is $m_t = 174.30 \ \pm 0.65\:\mathrm{GeV}/c^{2}$, corresponding to a relative precision of $0.37\%$

研究动机与目标

• 通过整合 Tevatron 实验中 CDF 和 D0 的最新结果，提高顶夸克质量测量的精度。
• 通过引入完整的 Run II 数据集以及新发布的或更新的测量结果，更新先前的 Tevatron 平均值。
• 考虑实验、衰变道和数据运行之间统计与系统性不确定性的相关性，确保联合结果的稳健性。
• 在大型强子对撞机时代之前，提供一个顶夸克质量的基准值，增强与 LHC 测量结果的一致性。
• 量化主要系统性不确定性的来源，特别是喷注能量标定和信号建模的影响。

提出的方法

• 联合分析使用了 12 个输入测量值：5 个来自 Run I，7 个来自 Run II（6 个已发表，1 个 D0 双轻子联合结果为初步结果）。
• 统计与系统性不确定性的合并采用平方和根法，并应用完整的相关性矩阵，以考虑实验与通道之间共享的不确定性。
• 在 Run II 分析中采用原位喷注能量标定技术，以减小喷注能量标定不确定性，特别是在轻子+喷注和全喷注通道中。
• D0 的双轻子通道中采用矩阵元方法与中微子加权技术，以提高质量分辨率并减少系统性偏差。
• 使用蒙特卡罗模拟对测量结果进行标定，输入的顶夸克质量在蒙特卡罗框架中定义，以最小化理论偏差。
• 最终平均值通过基于卡方检验的联合方法计算，考虑测量值之间的相关性，确保不同衰变道与实验之间的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用完整的 Run II 数据集，Tevatron 实验 CDF 和 D0 联合得到的顶夸克质量最精确值是多少？
• RQ2 系统性不确定性（特别是喷注能量标定和信号建模）如何影响顶夸克质量测量的整体精度？
• RQ3 在考虑相关性后，不同衰变道（轻子+喷注、全喷注、双轻子、缺失能量）的测量结果在多大程度上保持一致？
• RQ4 与以往联合结果及世界平均值相比，更新后的 Tevatron 平均值在中心值和不确定度方面有何差异？
• RQ5 包含新发布的 Run II 结果对最终联合顶夸克质量值及其精度有何影响？

主要发现

• 联合测量的顶夸克质量为 174.30 ± 0.65 GeV/c²，对应相对精度为 0.37%。
• 总不确定度主要由系统效应主导，特别是原位喷注能量标定和信号建模的不确定性。
• 中心值比先前的 Tevatron 2014 年夏季平均值低 40 MeV/c²，而不确定度保持在 0.65 GeV/c² 左右，几乎不变。
• CDF 与 D0 测量结果的联合分析得到卡方值为 3.4/1，对应概率为 6.5%，表明两实验结果具有一致性。
• 所有衰变道测量结果（轻子+喷注、全喷注、双轻子、缺失能量）彼此一致，卡方概率范围在 15% 至 99.8% 之间。
• 该结果比世界平均值高 1.00 GeV/c²，且精度提高了 16%，成为顶夸克质量的重要参考基准。