[论文解读] Measurement of the top-quark mass using a leptonic invariant mass in $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13~ extrm{TeV}$ with the ATLAS detector

ATLAS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 2

一句话总结

本文使用 √s = 13 TeV 下 t¯t 事例中 W 玻色子衰变产生的轻子（e 或 μ）与 b 介子衰变产生的 μ 子的不变质量，实现了对顶夸克质量的高精度测量。该方法基于 36.1 fb⁻¹ 的 ATLAS 数据，采用分箱模板轮廓似然拟合，得到 mt = 174.41 ± 0.39（统计）± 0.66（系统）± 0.25（反冲）GeV，显著提升了系统不确定性的控制能力，并与全局拟合结果保持一致。

ABSTRACT

A measurement of the top-quark mass ($m_t$) in the $t\bar{t} ightarrow~ extrm{lepton}+ extrm{jets}$ channel is presented, with an experimental technique which exploits semileptonic decays of $b$-hadrons produced in the top-quark decay chain. The distribution of the invariant mass $m_{\ell\mu}$ of the lepton, $\ell$ (with $\ell=e,\mu$), from the $W$-boson decay and the muon, $\mu$, originating from the $b$-hadron decay is reconstructed, and a binned-template profile likelihood fit is performed to extract $m_t$. The measurement is based on data corresponding to an integrated luminosity of 36.1 fb$^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13~ extrm{TeV}$$pp$ collisions provided by the Large Hadron Collider and recorded by the ATLAS detector. The measured value of the top-quark mass is $m_{t} = 174.41\pm0.39~( extrm{stat.})\pm0.66~( extrm{syst.})\pm0.25~( extrm{recoil})~ extrm{GeV}$, where the third uncertainty arises from changing the PYTHIA8 parton shower gluon-recoil scheme, used in top-quark decays, to a recently developed setup.

研究动机与目标

• 通过使用一种新型不变质量观测量，提升 t¯t → ℓ+ jets 通道中顶夸克质量测量的精度。
• 通过采用对提升不变量观测量，降低对喷流能量标度和顶夸克产生模型的敏感性。
• 通过引入具有不同系统不确定性的测量方法，检验理论解释的一致性。
• 为全局电弱拟合和顶夸克物理学提供具有竞争力的输入。

提出的方法

• 重建来自 W 玻色子衰变的轻子（ℓ = e, μ）与半轻衰变 b 介子产生的 μ 子的不变质量 mℓμ。
• 采用分箱模板轮廓似然拟合，将不同顶夸克质量假设下的模拟 mℓμ 分布与数据进行比较。
• 使用 Pythia8 对 b 介子衰变和重夸克碎片化进行建模，并引入专门的胶子反冲方案。
• 应用详细的探测器模拟与校准，以考虑能量分辨率、重建效率和动量标度的影响。
• 对信号建模、背景估计、探测器响应及部分子簇射效应进行系统不确定性评估。
• 使用 ATLAS 探测器在 √s = 13 TeV 下收集的 36.1 fb⁻¹ 质子-质子碰撞数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 通过使用轻子不变质量观测量，是否能够降低对喷流能量标度的敏感性？
• RQ2 与标准重建技术相比，基于 mℓμ 的方法在精度和系统控制方面表现如何？
• RQ3 Pythia8 部分子簇射反冲方案对最终顶夸克质量确定的影响是什么？
• RQ4 与以往测量相比，该方法在多大程度上提升了与全局电弱拟合的一致性？
• RQ5 该方法是否能够降低对顶夸克产生运动学和喷流能量校准的依赖？

主要发现

• 测得的顶夸克质量为 mt = 174.41 ± 0.39（统计）± 0.66（系统）± 0.25（反冲）GeV，其中第三项不确定性源于 Pythia8 部分子簇射反冲方案的改变。
• 统计不确定性为 0.39 GeV，主要系统不确定性为 0.66 GeV，反冲不确定性为 0.25 GeV。
• 与标准重建技术相比，该方法对喷流能量标度和顶夸克产生模型的敏感性更低。
• 该结果与间接全局电弱拟合结果 mt = 176.4 ± 2.1 GeV 一致，尽管其中心理论值更低。
• 该测量提升了 t¯t → ℓ+ jets 通道的测量精度，并提供了一种具有独立系统不确定性的互补方法。
• 该分析证明了在高能质子-质子碰撞中，使用 mℓμ 作为顶夸克质量测量的稳健观测量具有可行性。