[论文解读] Top Quark Mass Extractions from Energy Correlators: A Feasibility Study

Jack Holguin, Ian Moult+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用 1

一句话总结

本文提出了一种新方法，通过在喷注中测量三重能量关联函数来提取顶夸克质量，利用W玻色子质量作为参考标度。通过大规模事件生成器模拟，结果表明该方法对实验系统误差和非微扰效应具有强鲁棒性，在所有测试的不确定度下质量偏移均低于100 MeV，凸显其在明确的短距离方案中实现高精度测量的潜力。

ABSTRACT

In a recent article, we proposed an energy correlator-based method to achieve a precision top quark mass extraction from jet substructure, using the W-boson mass as a standard candle. In this paper, we perform an extensive event generator simulation study of this proposal, testing its experimental viability and its sensitivity to different subprocesses in the top quark production and decay. On the experimental side, we show that uncertainties in the jet energy scale, constituent energy scale, and tracking efficiency have a minimal effect. On the theoretical side, we find that our observable isolates the perturbative decay of the top quark. At the same time, nonperturbative physics, such as the modelling of color reconnection and the underlying event, has a negligible impact on the distribution. We conclude that our proposed measurement is resilient to the experimental and theoretical aspects of the hadron collider environment, with variations in model parameters consistently leading to ≲ 100 MeV shifts in the measured top mass. Our results motivate precision theoretical calculations of the energy correlator on top decays, both analytic and using parton shower generators, and further exploration of the experimental measurement.

研究动机与目标

• 评估在强子对撞机上使用能量关联函数进行顶夸克质量高精度提取的可行性。
• 评估该方法对实验重建不确定度（包括喷注能量标度、组分能量标度和跟踪效率）的敏感性。
• 研究非微扰和微扰物理过程（如强子化、色荷重连、本底事件、PDF以及初态/末态辐射）对提取的顶夸克质量的影响。
• 测试可观测量对部分子辐射模型、喷注半径和b夸克碎片化的变体的鲁棒性。
• 推动未来关于能量关联函数在顶衰变中因子化定理和高阶计算的理论研究。

提出的方法

• 该方法利用在强子化顶夸克喷注中测量的三重能量关联函数，通过将W玻色子质量作为标准烛光，提取顶夸克与W玻色子质量之比。
• 使用事件生成器模拟（如Pythia、Herwig）在各种子过程和探测器条件下建模顶夸克的产生与衰变。
• 通过比较不同喷注半径、辐射方案和匹配程序（LO与NLO）下的可观测量，分离出微扰衰变动力学。
• 通过改变关键参数（喷注能量标度、组分能量标度、跟踪效率、PDF集合和b碎片化模型）量化系统不确定度。
• 该方法依赖于喷注内的角关联，因此与传统质量测量相比，对能量标度不确定度的敏感性天然更低。
• 通过在关联函数谱中寻找峰来提取顶夸克质量，所有参数变化下的系统性偏移均被评估。

实验结果

研究问题

• RQ1 能量关联函数能否实现对顶夸克质量的高精度提取，且对实验系统误差具有鲁棒性？
• RQ2 能量关联函数可观测量对非微扰效应（如强子化、色荷重连和本底事件）的敏感性如何？
• RQ3 该测量对顶衰变之外的微扰动力学（如初态和末态辐射或部分子分布函数）的敏感程度如何？
• RQ4 该方法是否能有效隔离顶夸克的微扰衰变过程，从而最小化非微扰物理的污染？
• RQ5 b夸克碎片化和辐射模型的变体如何影响提取的顶夸克质量？

主要发现

• 该方法对喷注能量标度、组分能量标度和跟踪效率的敏感性极低，在所有测试条件下质量偏移均低于100 MeV。
• 如色荷重连、本底事件和强子化等非微扰效应引起的质量偏移小于100 MeV，表明具有极强的鲁棒性。
• 该可观测量对PDF集合、初态和末态辐射以及喷注半径的变化具有高度鲁棒性，所有偏移均保持在约100 MeV以内。
• 顶夸克质量提取主要依赖于顶夸克衰变的微扰描述，证实了对衰变动力学的有效隔离。
• b夸克碎片化参数（如StringZ:rFactB）的变化产生可忽略的影响，提取质量未出现显著偏移。
• 结果支持在明确的短距离方案中，通过能量关联函数实现受控不确定度的高精度顶夸克质量测量。