Systematic analysis of a top quark mass measurement using energy correlators

Abstract

Das Top Quark ist das schwerste Elementarteilchen innerhalb des Standardmodells der Teilchenphysik. Aufgrund seiner großen Masse und einer Yukawa-Kopplung nahe eins, nimmt es eine besondere Rolle im elektroschwachen Teil des Standardmodells ein. Um eine genaue Messung seiner Masse zu ermöglichen, wurden in der Vergangenheit bereits einige Methoden entwickelt, von denen jedoch jede ihre eigenen Vor- und Nachteile aufweist. Vor kurzem allerdings wurde eine neuartige Methode unter der Verwendung von gewichteten dreifachen Energiekorrelatoren vorgestellt, die das Potential hat die Gesamtungenauigkeit der Messung zu reduzieren. Dieser neue Ansatz basiert auf der Idee, dass der Energiekorrelator sensitiv auf den Öffnungswinkel der Zerfallsprodukte des Top Quarks ist, welcher wiederum von der Masse des Top Quarks abhängt. Dafür werden Top Quarks mit einem großen Lorentz-Boost verwendet, da diese in einen einzigen kollimierten Jet zerfallen. Das Ziel dieser Arbeit ist es die Machbarkeit und Anwendbarkeit dieser neuen Messmethodik zu evaluieren und die erwarteten systematischen und statistischen Unsicherheiten zu untersuchen. Um diese Analyse durchzuführen, wurden simulierte Daten des CMS Detektors, die dem Run 2 des LHC entsprechen, verwendet. Durch die Berechnung der Verteilungen für die Observable des Energiekorrelators, wurde gezeigt, dass deren Spitzenwerte tatsächlich sensitiv auf die Top Quark Masse sind, wie es von der Theorie erwartet wurde. Die Untersuchungen der systematischen Unsicherheiten zeigten, dass Variationen der Jet-Energieskala hierbei die größten Auswirkungen haben. Im Unterschied dazu zeigen Modifikationen der Energieskala der Jet-Komponenten sowie Verminderungen der Erkennungseffizienz im Tracker nur kleine Auswirkungen auf die Messung der Masse. Bezüglich der statistischen Unsicherheit werden 0,46 GeV für den kombinierten Datensatz von Run 2+3 und 0,14 GeV für den HL-LHC erwartet. In Anbetracht der theoretischen Herausforderungen bei direkten Messungen, kann dies ein konkurrenzfähiger Wert verglichen zu anderen derzeit verfügbaren Methoden sein.

The top quark is the heaviest elementary particle within the standard model of particle physics. Due to its large mass and a Yukawa coupling close to unity, it plays a special role in the electroweak sector of the standard model. In order to obtain a precise measurement of its mass, several methods have been developed in the past, each of them featuring different advantages and drawbacks. Recently, however, a novel method using weighted three-fold energy correlators was proposed, promising the potential to reduce the overall measurement uncertainty. This new approach is based on the idea that the energy correlator is sensitive to the opening angle of the top quark decay products, which, in turn, is dependent on the top quark mass. Therefore, boosted top quarks are used as they decay in a single collimated jet. The objective of this thesis is to evaluate the feasibility and applicability of this new measurement approach and investigate the expected statistical and systematic uncertainties. To conduct this analysis, simulated data from the CMS detector according to the Run 2 of the LHC was used. By calculating the distributions of the energy correlator observable, it was revealed that their peaks are indeed sensitive to the top quark mass, as was expected from theory. Investigations of systematic uncertainties showed that changes in the jet energy scale have the largest effect. In contrast, variations in the energy scale of the jet constituents as well as degradations in the detection efficiency of the tracker only exhibit a small influence on the mass measurement. Concerning the statistical uncertainty, 0.46 GeV is expected for the combined data sample of Run 2+3, and 0.14 GeV is expected for the HL-LHC data set. Considering the theoretical challenges of direct measurements, this can be a competitive value compared to other currently available measurement methods.