[论文解读] Recent Top Quark Mass Measurements from CMS

Andrea Castro|arXiv (Cornell University)|Dec 4, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 10

一句话总结

本文展示了来自大型强子对撞机（LHC）CMS实验的最新顶夸克质量测量结果，使用了8 TeV（Run 1）和13 TeV（Run 2）的数据，采用多种重建技术，包括单顶夸克、喷注增强顶夸克以及替代可观测量。联合结果的精度达到0.28%，使顶夸克成为标准模型中测量最精确的夸克，其质量值为 $ M_t = 172.44 \pm 0.49 \,\text{GeV} $。

ABSTRACT

A variety of top quark mass measurements has been made in the recent years by the CMS Collaboration. The most recent measurements performed at 8 TeV are reported here, along with a new measurement based on data collected in 2016 at 13 TeV. The current combination of these measurements has a relative uncertainty smaller than 0.3%, making the top quark the most accurately measured quark.

研究动机与目标

• 利用大型强子对撞机（LHC）的多种重建技术，以最高可能的精度测量顶夸克质量。
• 通过原位校准和替代可观测量，减小系统不确定性（特别是喷注能量标度（JES）和部分子辐射模型）的影响。
• 提供一致且高精度的 $ M_t $ 测量结果，以支持标准模型检验并探测新物理。
• 通过结合多个通道并利用独立方法验证结果，提高顶夸克质量测定的准确性。
• 通过将不确定性降低至0.3%以下，为全球 $ M_t $ 世界平均值做出贡献。

提出的方法

• 对单顶夸克 $ \mu $+jets 事件中的不变质量 $ m_{\mu\nu b} $ 使用模板拟合方法提取 $ M_t $，并施加对 $ W $ 玻色子质量的约束。
• 对喷注增强顶夸克喷注的微分截面进行分析，作为 $ m_{\text{jet}} $ 的函数，利用对 $ M_t $ 敏感的归一化分布。
• 采用替代可观测量，如 $ J/\psi $-轻子不变质量与 $ b\ell\nu $ 系统质量，以规避喷注能量标度不确定性的影响。
• 在13 TeV $ \ell $+jets 通道中使用图示法（ideogram method），结合运动学重建与对 $ M_t $ 和 $ M_W $ 的似然拟合，并包含原位JES标度因子（JSF）校准。
• 执行混合拟合，同时确定 $ M_t $ 与JES标度因子 $ JSF $，并将 $ JSF $ 的不确定性纳入系统误差预算。
• 使用统计方法将来自不同通道和方法的多个测量结果进行组合，以实现 $ M_t $ 测量的全球领先精度。

实验结果

研究问题

• RQ1 利用8 TeV和13 TeV LHC数据，顶夸克质量的最精确测量结果是什么？
• RQ2 在系统不确定性与精度方面，标准、喷注增强及替代可观测量等不同重建技术如何比较？
• RQ3 原位JES校准在多大程度上可减小顶夸克质量测量中的系统不确定性？
• RQ4 13 TeV数据的结果与以往Run 1测量结果及世界平均值相比如何？
• RQ5 使用不同可观测量（如 $ J/\psi $、$ b\ell\nu $）的独立测量是否能提供一致的 $ M_t $ 值，从而验证整体结果的可靠性？

主要发现

• 在 $ \sqrt{s} = 8 \,\text{TeV} $ 下的联合CMS测量结果为 $ M_t = 172.44 \pm 0.49 \,\text{GeV} $，相对不确定度为0.28%。
• 13 TeV $ \ell $+jets 测量的新结果总不确定度为0.63 GeV（0.36%），其中 $ M_t = 172.25 \pm 0.08 \,\text{(统计+JSF)} \pm 0.62 \,\text{(系统)} \,\text{GeV} $。
• 13 TeV测量中的系统不确定性主要来自味依赖的JES（0.39 GeV）、色连接重排（0.31 GeV）以及矩阵元生成器选择（0.22 GeV）。
• 基于 $ b\ell\nu $ 系统质量的替代方法得到 $ M_t = 172.22 \pm 0.18 \,\text{(统计)} \pm 0.91 \,\text{(系统)} \,\text{GeV} $，与标准方法结果一致。
• 通过 $ t\bar{t} $ 截面比较的间接测量结果为 $ M_t = 173.8^{+1.7}_{-1.8} \,\text{GeV} $，与直接测量结果一致，但不确定性更大。
• 最终的联合CMS结果比2014年世界平均值（$ M_t = 173.34 \pm 0.76 \,\text{GeV} $）更精确，且与ATLAS结果一致，证实了顶夸克质量测定的高精度。