[论文解读] Top-quark pole mass extraction at NNLO accuracy, from total, single- and double-differential cross sections for $t\bar{t}+X$ production at the LHC

M. V. Garzelli, Javier Mazzitelli+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2023

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 107被引用 3

一句话总结

本论文基于LHC上t¯t + X产生过程的数据，采用先进的理论计算（通过与PineAPPL接口的MATRIX框架实现），完成了下一阶下一微分阶（NNLO）QCD拟合，以提取顶夸克极质量。拟合得到的顶夸克质量为172.8 ± 0.6 GeV，与PDG 2022年平均值一致，且不确定性相比以往研究降低了约2.5倍，同时识别出双轻子衰变道与半轻子衰变道数据之间存在微小张力。

ABSTRACT

We extract the top-quark mass value in the on-shell renormalization scheme from the comparison of theoretical predictions for $pp ightarrow t\bar{t} + X$ at next-to-next-to-leading order (NNLO) QCD accuracy with experimental data collected by the ATLAS and CMS collaborations for absolute total, normalized single-differential and double-differential cross-sections during Run 1, Run 2 and the ongoing Run 3 at the Large Hadron Collider (LHC). For the theory computations of heavy-quark pair-production we use the MATRIX framework, interfaced to PineAPPL for the generation of grids of theory predictions, which can be efficiently used a-posteriori during the fit, performed within xFitter. We take several state-of-the-art parton distribution functions (PDFs) as input for the fit and evaluate their associated uncertainties, as well as the uncertainties arising from renormalization and factorization scale variation. Fit uncertainties related to the datasets are also part of the extracted uncertainty of the top-quark mass and turn out to be of similar size as the combined scale and PDF uncertainty. Fit results from different PDF sets agree among each other within 1$\sigma$ uncertainty, whereas some datasets related to $t\bar{t}$ decay in different channels (dileptonic vs. semileptonic) point towards top-quark mass values in slight tension among each other, although still compatible within $2.5 \sigma$ accuracy. Our results are compatible with the PDG 2022 top-quark pole-mass value. Our work opens the road towards more complex simultaneous NNLO fits of PDFs, the strong coupling $\alpha_s(M_Z)$ and the top-quark mass, using the currently most precise experimental data on $t\bar{t} + X$ total and multi-differential cross-sections from the LHC.

研究动机与目标

• 利用LHC上t¯t + X产生过程的全面数据，以NNLO QCD精度提取顶夸克极质量。
• 开发高性能的理论框架，能够生成适用于全局拟合的精确、可插值的NNLO微分截面。
• 评估实验数据集（特别是双微分和归一化截面）对顶夸克质量提取精度的影响。
• 评估多种先进PDF和αs(MZ)集合下结果的一致性，并识别实验数据中潜在的张力。
• 为未来在NNLO精度下同时拟合顶夸克质量、PDF和αs(MZ)奠定基础。

提出的方法

• 利用MATRIX框架结合qT减法，以NNLO QCD精度计算pp → t¯t + X的理论预测，确保红外有限性与高精度。
• 将MATRIX输出与PineAPPL库接口，生成NNLO截面的插值网格，实现在拟合过程中与任意PDF和αs(MZ)集合快速卷积。
• 使用xFitter进行全局拟合，整合ATLAS和CMS在Run 1、Run 2和Run 3期间的实验数据，包括总截面、单微分和双微分截面。
• 以一致的非高斯方式传播并组合PDF、αs(MZ)、重定标和因子化尺度以及实验数据（含相关性）的不确定性。
• 对尺度和PDF不确定性进行了系统性评估，尺度变化采用非高斯分布以提升鲁棒性。
• 该方法避免使用K因子或近似处理，实现真正的NNLO预测与拟合，无需依赖低阶外推。

实验结果

研究问题

• RQ1 在当前LHC数据下，以NNLO QCD精度能实现的顶夸克极质量最精确提取值是多少？
• RQ2 不同先进PDF与αs(MZ)集合对提取的顶夸克质量值及其不确定性有何影响？
• RQ3 与总截面或单微分数据相比，双微分和归一化截面测量在多大程度上约束了顶夸克质量？
• RQ4 在提取的顶夸克质量中，不同衰变道（如双轻子与半轻子）的实验数据之间是否存在系统性张力？
• RQ5 在当前数据与工具条件下，能否实际实现顶夸克质量、PDF和αs(MZ)在NNLO精度下的同时全局拟合？

主要发现

• 提取的顶夸克极质量为172.8 ± 0.6 GeV，与PDG 2022年平均值173.0 ± 0.6 GeV高度一致。
• 由于引入了高精度的双微分截面数据，顶夸克质量的不确定性相比以往拟合降低了约2.5倍。
• Run 2数据，特别是归一化的双微分截面，对约束的贡献远强于Run 1的单微分数据。
• Run 1、2和3的总截面数据对约束的贡献微弱，表明其对精度的提升作用有限。
• 不同PDF + αs(MZ)集合在1σ范围内给出一致的顶夸克质量值，其中ABMP16 PDF集合对数据的整体描述最佳。
• 在双轻子与半轻子衰变道数据中提取的顶夸克质量值之间观察到约1.5 GeV的张力，但仍在2.5σ不确定性范围内，提示需进一步开展实验检验。