[论文解读] Simultaneous extraction of $α_s$ and $m_t$ from LHC $t\bar{t}$ differential distributions

A. M. Cooper-Sarkar, M. Czakon+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 8, 2020

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 4

一句话总结

本文利用八TeV LHC $t\bar{t}$ 微分分布，基于下一下一阶（NNLO）QCD预测，实现了强耦合常数 $\alpha_s$ 与顶夸克极值质量 $m_t$ 的联合提取。通过结合ATLAS与CMS的单微分测量结果——具体为 $p_T^\text{avg}$、$y_\text{avg}$、$m_{t\bar{t}}$ 与 $y_{t\bar{t}}$—并利用 fastNLO 表实现理论计算的高效处理，作者获得了精确的联合确定结果：$\alpha_s = 0.1159^{+0.0013}_{-0.0014}$ 与 $m_t = 173.8^{+0.8}_{-0.8}$ GeV，该结果与世界平均值及以往提取结果一致。

ABSTRACT

We present a joint extraction of the strong coupling $α_s$ and the top-quark pole mass $m_t$ from measurements of top-quark pair production performed by the ATLAS and CMS experiments at the 8 TeV LHC. For the first time, differential NNLO theory predictions for different values of the top-quark mass are utilised for four kinematic distributions: the average transverse momentum of the top-quark, its average rapidity and the pair invariant mass and rapidity. The use of fastNLO tables for these distributions allows rapid evaluation of the differential theory predictions for different PDF sets. We consider the single differential distributions from the experiments both separately and in combination in order to obtain the best fit to theory. Our final values are $α_s=0.1159^{+0.0013}_{-0.0014}$ and $m_t=173.8^{+0.8}_{-0.8}$ GeV which are compatible with previous extractions using top-quark measurements. In the case of $m_t$, our value is also compatible with the world average value collated by the Particle Data Group.

研究动机与目标

• 利用LHC的微分 $t\bar{t}$ 分布，实现 $\alpha_s$ 与 $m_t$ 的联合确定，克服仅使用总截面时参数之间的退化问题。
• 利用具有灵活 $m_t$ 依赖性的下一下一阶（NNLO）QCD预测，对四种运动学分布——$p_T^\text{avg}$、$y_\text{avg}$、$m_{t\bar{t}}$ 与 $y_{t\bar{t}}$——进行分析。
• 通过结合ATLAS与CMS八TeV测量结果，并利用fastNLO表对多种部分子分布函数（PDF）集快速评估理论预测，提升精度。
• 评估 $m_{t\bar{t}}$ 分布中漏失事件对提取参数的影响，揭示ATLAS与CMS在处理方式上的差异。

提出的方法

• 分析基于八TeV下ATLAS与CMS的单微分 $t\bar{t}$ 截面测量，包括平均横向动量、快度以及对子不变质量与快度的分布。
• 针对多种 $m_t$ 取值计算NNLO QCD预测，并通过fastNLO表实现，从而实现对多种部分子分布函数（PDF）集（CT14、NNPDF30、NNPDF31）的快速评估。
• 通过全局 $\chi^2$ 最小化方法，将理论预测拟合至实验数据，不确定性通过基于p值的加权方案进行传播以实现平均。
• 提取过程同时考虑统计与系统误差，采用综合平均程序，包含不同PDF集之间的 $p$-值权重与系统性偏移。
• 通过对比包含与不包含漏失事件的拟合结果，评估 $m_{t\bar{t}}$ 分布中漏失事件的影响，发现其对CMS结果造成显著偏移，而对ATLAS结果影响可忽略。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在NNLO精度下，利用微分 $t\bar{t}$ 分布实现 $\alpha_s$ 与 $m_t$ 的联合提取，从而克服仅使用总截面测量时存在的退化问题？
• RQ2 微分分布的形状——特别是 $p_T^\text{avg}$、$y_\text{avg}$、$m_{t\bar{t}}$ 与 $y_{t\bar{t}}$——如何同时约束 $\alpha_s$ 与 $m_t$？
• RQ3 $m_{t\bar{t}}$ 分布中漏失事件对提取的 $\alpha_s$ 与 $m_t$ 值有何影响？为何ATLAS与CMS表现出不同的敏感度？
• RQ4 结果与世界平均值及以往提取结果相比如何？这反映了LHC $t\bar{t}$ 测量的一致性如何？
• RQ5 不同PDF集在联合拟合中对 $\alpha_s$ 与 $m_t$ 最终结果的影响程度如何？

主要发现

• 联合提取结果为 $\alpha_s = 0.1159^{+0.0013}_{-0.0014}$ 与 $m_t = 173.8^{+0.8}_{-0.8}$ GeV，体现了在NNLO精度下的精确联合确定。
• $m_t$ 的值与粒子数据组汇编的世界平均值一致，也与以往基于顶夸克测量的提取结果一致。
• 在 $m_{t\bar{t}}$ 分布中包含漏失事件会导致CMS数据中 $m_t$ 显著上移（约0.3 GeV），而对ATLAS结果影响可忽略，表明两实验在处理方式上存在差异。
• ATLAS数据的 $\chi^2_{\text{min}}$ 值较低（0.13–0.21），CMS数据中等（2.02–5.03），表明在所有PDF集下理论与实验数据均具有良好一致性。
• 结果表明，NNLO精度下的微分分布具备足够灵敏度，可打破 $\alpha_s$ 与 $m_t$ 之间的退化，实现稳健的联合拟合。
• 本研究强调了在 $m_{t\bar{t}}$ 分布中对漏失事件进行一致处理的重要性，因为实验间差异可能影响参数提取结果。