[论文解读] Measurement of jet substructure in boosted $t\bar{t}$ events with the ATLAS detector using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collisions

G. Aad, B. Abbott+2930 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 137被引用 1

一句话总结

本论文利用ATLAS探测器在13 TeV质子-质子对撞数据中，基于140 fb⁻¹的积分亮度，对喷注次结构进行了高精度测量。研究在粒子层次相空间中测量了八个次结构变量的微分截面，发现基于Pythia 8的蒙特卡罗预测在描述三体喷注结构方面表现不佳，而Herwig 7及其它矩阵元模型则展现出更好的一致性，表明需改进高能top夸克喷注的部分子辐射与强子化模型。

ABSTRACT

Measurements of the substructure of top-quark jets are presented, using 140 fb$^{-1}$ of 13 TeV $pp$ collision data recorded with the ATLAS detector at the LHC. Top-quark jets reconstructed with the anti-$k_{t}$ algorithm with a radius parameter $R=1.0$ are selected in top-quark pair ($t\bar{t}$) events where one top quark decays semileptonically and the other hadronically, or where both top quarks decay hadronically. The top-quark jets are required to have transverse momentum $p_\mathrm{T} > 350$ GeV, yielding large samples of data events with jet $p_\mathrm{T}$ values between 350 and 600 GeV. One- and two-dimensional differential cross-sections for eight substructure variables, defined using only the charged components of the jets, are measured in a particle-level phase space by correcting for the smearing and acceptance effects induced by the detector. The differential cross-sections are compared with the predictions of several Monte Carlo simulations in which top-quark pair-production quantum chromodynamic matrix-element calculations at next-to-leading-order precision in the strong coupling constant $\alpha_\mathrm{S}$ are passed to leading-order parton shower and hadronization generators. The Monte Carlo predictions for measures of the broadness, and also the two-body structure, of the top-quark jets are found to be in good agreement with the measurements, while variables sensitive to the three-body structure of the top-quark jets exhibit some tension with the measured distributions.

研究动机与目标

• 在13 TeV能量下，测量高横向动量top夸克喷注在强子化top夸克对事件中的次结构。
• 检验蒙特卡罗模拟在建模top夸克喷注次结构方面的准确性，特别是针对三体衰变构型。
• 识别在对喷注拓扑与部分子辐射敏感的变量中，数据与标准模型预测之间的偏差。
• 深化对高能动量区域中部分子辐射与强子化效应的理解，以支持新物理搜索。
• 为未来基于高精度次结构可观测量的top夸克喷注识别与新标准模型之外的搜索提供基准。

提出的方法

• 在包含一个半轻子衰变与一个强子衰变top夸克，或两个均为强子衰变的事件中，使用R = 1.0的反kₜ算法重建top夸克喷注。
• 应用严格选择标准：top夸克喷注的pT > 350 GeV，重点关注350–600 GeV区间。
• 仅基于带电粒子成分测量八个次结构变量：τ₂₁、τ₃₂、τ₃、D₂、C₃、pT弥散度（pd∗T）及其他两个变量。
• 采用迭代贝叶斯去卷积方法校正探测器效应，并提取粒子层次的微分截面。
• 将结果与多种蒙特卡罗生成器进行比较：Powheg+Pythia 8、aMC@NLO+Pythia 8以及Herwig 7，涵盖不同的部分子辐射与强子化模型。
• 评估来自探测器效应、背景建模与信号模拟的系统性不确定性，并通过闭合测试进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 NLO矩阵元 + LO部分子辐射蒙特卡罗模拟在高pT区域对高能top夸克喷注次结构的描述能力如何？
• RQ2 对三体喷注拓扑敏感的变量（如τ₃₂、C₃）在数据中与标准模型预测的偏差程度如何？
• RQ3 在部分子辐射与强子化模型方面，Pythia 8与Herwig 7中哪一个更能准确再现观测到的喷注次结构分布？
• RQ4 喷注次结构建模中的系统性偏差是否随top夸克喷注质量与横动量变化而变化？
• RQ5 最终态辐射（FSR）尺度的变化是否改善或恶化了数据与模拟之间的一致性？

主要发现

• 名义的Powheg+Pythia 8预测对τ₂₁、ECF₂和D₂变量描述良好，但无法再现τ₃₂、τ₃和C₃的观测分布，这些变量表现出比预测更强的两体特征。
• pT弥散度（pd∗T）变量在名义蒙特卡罗中建模效果差，数据在低值区域的峰值强于预测。
• 基于Herwig 7的预测与数据一致性优于Pythia 8，尤其在对三体敏感的变量上，表明其对部分子辐射与强子化的建模更优。
• 替代矩阵元预测（aMC@NLO+Pythia 8）相比名义的Powheg+Pythia 8设置，与数据的一致性有所提升。
• 提高FSR尺度会恶化与数据的一致性，而降低FSR尺度则会改善一致性，表明数据更倾向于比名义设置更高的有效αFSRs。
• 在τ₃₂与D₂随mtop和ptopT的关联关系中观察到系统性偏差，表明NLO矩阵元 + 部分子辐射模型在低mtop与高ptopT区域存在缺陷。