[论文解读] Top quark mass in ATLAS

B. Pearson|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 2被引用 7

一句话总结

本文使用ATLAS探测器，在8 TeV质子-质子碰撞中，通过$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$衰变道，对顶夸克质量进行了新的直接测量，并结合先前测量结果，实现了世界领先的精度：$m_{ {top}} = 172.51 \pm 0.27~\mathrm{(统计)} \pm 0.42~\mathrm{(系统)}~\mathrm{GeV}$。该结果与间接的极质量测定及其他实验结果一致，体现了在多个分析中系统控制的改进和相关性的最小化。

ABSTRACT

ATLAS has made several measurements of the top quark mass using proton-proton collision data recorded in 2012 at the LHC with a centre-of-mass energy of 8 TeV. Those summarised here include an indirect determination of the top quark pole mass from lepton differential cross-sections; previous direct measurements of the top quark mass in the $t\bar{t} o extrm{dilepton}$ and $t\bar{t} o extrm{all-jets}$ decay channels as well as in the $t$-channel of single-top-quark production; and lastly, the new direct measurement of the top quark mass in the $t\bar{t} o extrm{lepton+jets}$ decay channel and its combination with previous measurements.

研究动机与目标

• 使用ATLAS探测器，在8 TeV下改进$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$衰变道中顶夸克质量测量的精度。
• 将新的$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$测量结果与ATLAS先前在$t\overline{t}\to\textrm{双轻子}$和$t\overline{t}\to\textrm{全部 jets}$通道中的结果相结合，以获得更精确的综合$m_{\t{top}}$值。
• 通过优化分析策略（包括使用BDT和模板拟合）最小化系统不确定度，并对测量结果之间的相关性进行准确评估，以实现稳健的组合。
• 将综合结果与间接测定结果及其他实验进行比较，以检验其在标准模型内的自洽性。

提出的方法

• 在$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$通道的测量中，采用提升决策树（BDT）以增强信号与背景的分离，从而降低系统不确定度。
• 通过模板方法提取顶夸克质量：将数据分布与在多个$m_{\mathrm{top}}$值下生成的模拟模板进行拟合，以插值获得最佳拟合质量。
• 通过改变喷流能量标度（JES）、底夸克喷流能量标度（bJES）和部分子分布函数，评估系统不确定度，并显式计算测量结果之间的相关性。
• 最终组合采用最佳线性无偏估计（BLUE）方法，该方法综合考虑了统计不确定度和系统不确定度及其在多个测量结果之间的相关性。
• 通过拟合归一化的微分截面与轻子动量分布的NLO QCD预测（来自MCFM），获得顶夸克极质量的间接测定。
• 利用成对偏移图量化测量结果之间的相关性，并通过可视化相关性对综合不确定度的影响，以指导优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 在8 TeV下，$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$衰变道中，顶夸克质量新直接测量的精度如何？
• RQ2 将$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$测量结果纳入后，对ATLAS综合$m_{\mathrm{top}}$结果的整体不确定度有何改善？
• RQ3 系统不确定度（特别是喷流能量标度）在多大程度上限制了单个$m_{\mathrm{top}}$测量的精度？
• RQ4 测量结果之间的相关性如何影响综合$m_{\mathrm{top}}$值的最终不确定度？
• RQ5 综合$m_{\mathrm{top}}$结果是否与间接极质量测定及其他实验结果一致？

主要发现

• 新测量在$t\overline{t}\to\textrm{轻子+ jets}$通道中实现的精度相比先前7 TeV测量提高了29%，总不确定度为0.50 GeV。
• ATLAS综合结果$m_{\mathrm{top}} = 172.51 \pm 0.27~\mathrm{(统计)} \pm 0.42~\mathrm{(系统)}~\mathrm{GeV}$的相对精度达到0.29%，为当时最精确的单次测量。
• 间接测定的顶夸克极质量为$m_{\mathrm{top}}^\mathrm{pole} = 173.2 \pm 0.9~\mathrm{(统计)} \pm 0.8~\mathrm{(系统)} \pm 1.2~\mathrm{(理论)}~\mathrm{GeV}$，与直接组合结果在不确定度范围内一致。
• 通过组合测量显著降低了不确定度，相比最精确的单个测量，凸显了最小化分析间相关性的重要性。
• 在组合中包含7 TeV的$t\overline{t}\to\textrm{双轻子}$结果并未带来显著改善，表明当前精度已受最敏感通道中统计精度的限制。
• 最终综合不确定度0.50 GeV的估计精度达到±0.04 GeV，反映出对总不确定度估计的极高置信度。