[论文解读] Measurement of the top quark pole mass using $ extrm{t}\overline{ extrm{t}} $+jet events in the dilepton final state in proton-proton collisions at $ \sqrt{s} $ = 13 TeV

CMS Collaboration, Tumasyan, Armen+2397 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本论文利用在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下质子-质子碰撞中获得的 36.3 fb$^{-1}$ 积分 luminosity，通过对 t\bar{t}+jet 事件在双轻子末态中的精确测量，确定了顶夸克极质量。通过多变量分析和在 $\rho = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 观测量中对归一化微分截面进行最大似然反卷积，利用 ABMP16 NLO PDF 得到的顶夸克极质量为 $m^\mathrm{pole}_t = 172.93 \pm 1.36$ GeV，通过优化系统不确定性的轮廓参数，实验精度得到显著提升。

ABSTRACT

A measurement of the top quark pole mass $m_\mathrm{t}^ ext{pole}$ in events where a top quark-antiquark pair ($\mathrm{t\bar{t}}$) is produced in association with at least one additional jet ($\mathrm{t\bar{t}}$+jet) is presented. This analysis is performed using proton-proton collision data at $\sqrt{s}$ = 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 36.3 fb$^{-1}$. Events with two opposite-sign leptons in the final state (e$^+$e$^-$, $μ^+μ^-$, e$^\pmμ^\mp$) are analyzed. The reconstruction of the main observable and the event classification are optimized using multivariate analysis techniques based on machine learning. The production cross section is measured as a function of the inverse of the invariant mass of the $\mathrm{t\bar{t}}$+jet system at the parton level using a maximum likelihood unfolding. Given a reference parton distribution function (PDF), the top quark pole mass is extracted using the theoretical predictions at next-to-leading order. For the ABMP16NLO PDF, this results in $m_\mathrm{t}^ ext{pole}$ = 172.93 $\pm$ 1.36 GeV.

研究动机与目标

• 利用在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下的双轻子末态 t\bar{t}+jet 事件，以更高精度测量顶夸克极质量。
• 通过使用带有轮廓化多余参数的最大似然方法，将探测器层次的可观测量反卷积至部分子层次，以减少探测器效应和理论建模带来的不确定性。
• 通过在 $\rho$ 可观测量中提取归一化微分截面，增强对顶夸克质量的敏感性，从而利用喷流辐射效应提高测量精度。
• 通过使用下一阶微扰量子色动力学（QCD）预测，减少蒙特卡洛质量 $m^\mathrm{MC}_t$ 与极质量 $m^\mathrm{pole}_t$ 之间的歧义。

提出的方法

• 本分析使用了 CMS 实验在 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下收集的 36.3 fb$^{-1}$ 质子-质子碰撞数据。
• 选择双轻子末态（e+e−, μ+μ−, e±μ∭）的事件，要求两个电荷相反的轻子和至少一个喷流。
• 采用基于机器学习的多变量分析技术，以优化事件分类并抑制背景。
• 在探测器层次测量归一化微分截面，并使用带有轮廓化多余参数的最优化似然方法将其反卷积至部分子层次。
• 使用 $\rho = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 可观测量以增强对顶夸克极质量的敏感性，其中 $m_0 = 170$ GeV。
• 通过将反卷积后的截面与 ABMP16 NLO 部分子分布函数的下一阶微扰理论预测进行比较，提取极质量。

实验结果

研究问题

• RQ1 从 $\sqrt{s} = 13$ TeV 下双轻子末态的 t\bar{t}+jet 事件中提取的顶夸克极质量 $m^\mathrm{pole}_t$ 的值是多少？
• RQ2 与包含 t\bar{t} 产生相比，t\bar{t}+jet 事件中包含喷流辐射如何提高对顶夸克极质量的敏感性？
• RQ3 在反卷积过程中对系统不确定性的轮廓化处理在多大程度上减小了 $m^\mathrm{pole}_t$ 的实验不确定性？
• RQ4 测量得到的 $m^\mathrm{pole}_t$ 值与以往测量结果和理论预期相比如何？

主要发现

• 利用 ABMP16 NLO 部分子分布函数，测得顶夸克极质量为 $m^\mathrm{pole}_t = 172.93 \pm 1.36$ GeV。
• 通过在最大似然反卷积中对多余参数进行轮廓化处理，显著降低了实验不确定性，相比经典方法提升了精度。
• 本测量基于 $\rho = 2m_0/m_{\mathrm{tt+jet}}$ 可观测量的归一化微分截面，增强了对顶夸克质量在产生阈值附近的敏感性。
• 结果与以往测量一致，并为大型强子对撞机（LHC）提供了具有竞争力的顶夸克极质量测定。
• 本分析展示了多变量技术与轮廓化系统不确定性的有效性，适用于高精度顶夸克质量测量。
• 测得的 $m^\mathrm{pole}_t$ 值与世界平均值一致，有助于全球电弱拟合和希格斯玻色子自耦合常数的研究。