[论文解读] Studies of highly-boosted top quarks near the TeV scale using jet masses at the LHC

B. Auerbach, S. Chekanov+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 4被引用 3

一句话总结

本文提出了一种基于数据的喷射质量分布分析方法，用于在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 的 $pp$ 全体碰撞中探测高度增强的顶夸克。利用带有快速探测器效应的蒙特卡洛模拟，结果表明，若顶夸克的全体产生截面超过 $t\bar{t}$ 过程的 aNNLO 预测值两倍以上，仅通过喷射质量即可识别顶夸克，且 $b$-标签显著提升了观测标准模型 $t\bar{t}$ 事例的信号与背景比。

ABSTRACT

Studies of highly-boosted top quarks produced inclusively in pp collisions at 14 TeV are discussed. The hadronic decays of boosted top quarks was studied in a data-driven approach by analysing shapes of jet-mass distributions. Using Monte Carlo models after a fast detector simulation, it is shown that inclusive production of boosted top quarks can be observed if it has a cross section at least twice larger than the prediction from the approximate next-to-next-to-leading-order (aNNLO) calculation for the ttbar process. The ttbar process with the nominal aNNLO strength can be measured using the masses of jets after a b-tagging.

研究动机与目标

• 开发一种仅基于喷射质量分布的数据驱动方法，用于在 $\sqrt{s} = 14$ TeV 的 $pp$ 全体碰撞中识别高度增强的顶夸克。
• 评估当全体截面超过 $t\bar{t}$ 过程 aNNLO 预测值两倍或以上时，在高 $p_T$ 喷射中观测顶夸克的可行性。
• 评估 $b$-标签在提升高 $p_T$ 喷射中 $t\bar{t}$ 产生过程的信号与背景比方面的有效性。
• 证明喷射质量形状分析可作为无需依赖复杂子结构技术的顶夸克敏感探测手段。

提出的方法

• 使用带有快速探测器模拟的蒙特卡洛模拟，对 $\sqrt{s} = 14$ TeV 下高 $p_T$ 喷射中顶夸克衰变产生的喷射质量进行建模。
• 通过分析喷射质量分布的形状，识别出靠近 170 GeV 的信号峰，该特征与顶夸克衰变相关，假设背景呈平滑下降趋势。
• 采用解析背景拟合函数对 QCD 多喷射背景进行建模，且在 170 GeV 附近无隆起，从而实现数据驱动的信号提取。
• 应用 $b$-标签以抑制 QCD 多喷射背景，提升 $t\bar{t}$ 事例的信号可见性。
• 通过改变选择截断和仪器效应来评估系统不确定性，同时在数据驱动拟合过程中保持信号强度稳定。
• 比较有无 $b$-标签情况下的信号与背景比，以量化检测性能的提升。

实验结果

研究问题

• RQ1 仅通过喷射质量分布能否为 LHC 中高 $p_T$ 喷射内高度增强的顶夸克全体产生提供敏感探测手段？
• RQ2 通过喷射质量形状分析观测增强的顶夸克，其截面相对于 aNNLO $t\bar{t}$ 预测值的最小增强幅度是多少？
• RQ3 $b$-标签在提升高 $p_T$ 喷射中 $t\bar{t}$ 产生的信号与背景比方面有多有效？
• RQ4 在存在平滑下降的 QCD 背景下，基于解析背景模板的数据驱动方法在多大程度上可探测到顶夸克信号？

主要发现

• 当全体顶夸克产生截面超过 $t\bar{t}$ 过程 aNNLO 预测值两倍以上时，可在喷射质量分布中检测到靠近 170 GeV 的信号峰。
• 只要保持数据驱动拟合流程，该方法对诸如喷射能量标度偏移等系统性变化仍具鲁棒性。
• $b$-标签的引入可将 QCD 多喷射背景降低至少两倍，从而在预期的 aNNLO 截面水平下清晰观测到 $t\bar{t}$ 事例。
• 无需子结构变量的喷射质量形状分析，为在 $pp$ 全体碰撞中探测高度增强的顶夸克提供了一种可行且敏感的方法。
• 若某些新物理模型（如 $Z'$ 和 Kaluza-Klein 胶子）在高 $p_T$ 下预测截面增强超过标准模型，该方法可将其排除。