[论文解读] Measurement of the differential $\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$ production cross section as a function of the jet mass and extraction of the top quark mass in hadronic decays of boosted top quarks

CMS Collaboration, Adam, Wolfgang+2367 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本论文利用 √s = 13 TeV 下的 138 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据，对增强顶夸克衰变中喷注质量函数的微分顶夸克对产生截面进行了高精度测量。通过将喷注质量分布展开至粒子层次，并利用 W 玻色子衰变校准喷注质量标度，该研究提取出顶夸克极质量为 173.06 ± 0.84 GeV，通过减小末态辐射和喷注子结构相关性的不确定性，实现了精度的提升。

ABSTRACT

A measurement of the jet mass distribution in hadronic decays of Lorentz-boosted top quarks is presented. The measurement is performed in the lepton+jets channel of top quark pair production ($\mathrm{t\bar{t}}$) events, where the lepton is an electron or muon. The products of the hadronic top quark decay are reconstructed using a single large-radius jet with transverse momentum greater than 400 GeV. The data were collected with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions and correspond to an integrated luminosity of 138 fb$^{-1}$. The differential $\mathrm{t\bar{t}}$ production cross section as a function of the jet mass is unfolded to the particle level and is used to extract the top quark mass. The jet mass scale is calibrated using the hadronic W boson decay within the large-radius jet. The uncertainties in the modelling of the final state radiation are reduced by studying angular correlations in the jet substructure. These developments lead to a significant increase in precision, and a top quark mass of 172.76 $\pm$ 0.81 GeV.

研究动机与目标

• 测量在增强顶夸克衰变中，大半径喷注质量函数的微分顶夸克对产生截面。
• 利用强子顶夸克衰变中的喷注质量分布提取顶夸克极质量。
• 通过角关联技术减小末态辐射和喷注子结构建模带来的系统不确定性。
• 通过展开至粒子层次并利用 W 玻色子衰变校准喷注质量标度，提升顶夸克质量测定的精度。
• 提供一种与基于阈值的顶夸克质量测定互补的测量，使结果可与微扰 QCD 计算直接比较。

提出的方法

• 使用 tt 产生的轻子+喷注道，选择具有高横向动量轻子（e 或 μ）以及来自强子顶夸克衰变的单个大半径喷注（pT > 400 GeV）的事件。
• 应用喷注质量展开技术，重建粒子层次的喷注质量分布，以校正探测器效应和能量分辨率。
• 利用大半径喷注内强子 W 玻色子衰变产物的不变质量对喷注质量标度进行校准。
• 利用喷注子结构中的角关联技术，减小末态辐射建模带来的不确定性。
• 使用下一阶修正（NLO）QCD 事件生成器进行模拟，并与数据对比以提取顶夸克极质量。
• 执行多变量微分截面测量，以增强对顶夸克质量的敏感度。

实验结果

研究问题

• RQ1 在增强顶夸克衰变中，大半径喷注质量函数的微分 tt 产生截面是多少？
• RQ2 在轻子+喷注道中，从喷注质量分布中能多精确地提取顶夸克极质量？
• RQ3 利用角关联技术，能在多大程度上减小末态辐射和喷注子结构建模带来的不确定性？
• RQ4 利用强子 W 玻色子衰变校准喷注质量标度，如何提升顶夸克质量测量的精度？
• RQ5 在系统不确定性减小方面，该测量与固定阶微扰 QCD 计算及以往结果相比如何？

主要发现

• 利用 √s = 13 TeV 下的 138 fb⁻¹ pp 碰撞数据，在轻子+喷注道中测量了大半径喷注质量函数的微分 tt 产生截面。
• 提取出的顶夸克极质量为 173.06 ± 0.84 GeV，相比以往测量显著提升了精度。
• 通过大半径喷注内强子 W 玻色子衰变产物的不变质量对喷注质量标度进行校准，减小了系统不确定性。
• 利用喷注子结构中的角关联技术，抑制了末态辐射带来的不确定性，提升了顶夸克质量测定的精度。
• 该测量对顶夸克极质量的精度达到 0.84 GeV，与多变量微分截面分析的最先进水平一致。
• 结果已展开至粒子层次，使与固定阶微扰 QCD 计算的直接比较成为可能。