First measurement of the jet mass in events with highly boosted top quarks and studies with top tagging at CMS

Abstract

This thesis includes two analyses with high-momentum top quarks in data collected by the CMS detector in proton-proton collisions at the Large Hadron Collider (LHC). The high center-of-mass energies at the LHC up to 13 TeV lead to a large production of high-momentum top quarks from standard model processes and allows for a production of very heavy new particles decaying into high-momentum top quarks. The large Lorentz boost poses a challenge to the reconstruction of high-momentum top quarks. Their decay products are collimated and a reconstruction in three separate jets is not efficient. A boosted top quark is therefore reconstructed in one large jet and jet substructure information is important to identify boosted top quark jets. This leads to a large interest on boosted top quarks and jet substructure from the experimental and theory communities. The first analysis is the first measurement of the jet-mass distribution in fully-merged top quark decays in tt production. The measurement is performed with data collected at a center-of-mass energy of √s = 8 TeV in 2012. The data is corrected for detector effects and compared to Monte Carlo (MC) simulated distributions. The sensitivity to the top quark mass is used to extract a value of the top quark mass of mt = 170.8 ± 9.0 GeV. The uncertainties are dominated by statistical uncertainties. The ultimate goal is an extraction of a well-defined top quark mass from a comparison to analytic calculations once they are available for the measured phase space. The second analysis includes studies on the performance of the CMSTopTagger v2 and the HOTVR algorithm in data and simulation. Top tagging algorithms are important to identify boosted top quarks. A new method is presented to measure the official CMS top tagging data-to-simulation scale factors. The scale factors are measured in data collected in the years 2016 and 2017 at √s = 13 TeV for ’fully-merged’, ’semi-merged’, and ’not-merged’ jets using a template fit method. This leads to less dependence on the measurement phase space compared to previous methods. The scale factors are used in several CMS publications to correct for differences in the top tagging efficiency between data and simulation. Mistag rates are studied in 2016 data using a cut-and-count method.

Diese Arbeit beinhaltet zwei Analysen mit Top-Quarks mit hohem Impuls in hochenergetischen Proton-Proton-Kollisionen am Large-Hadron-Collider (LHC). Die hohen Schwerpunktsenergien bis zu 13 TeV am LHC führen zu einer hohen Produktion von Top-Quarks mit hohem Impuls durch Standard-Modell-Prozesse und ermöglichen die Produktion schwerer neuer Teilchen, welche vornehmlich in Top-Quarks mit entsprechend hohem Impuls zerfallen. Der resultierende hohe Lorentz-Faktor der Top-Quarks stellt eine Herausforderung für die Rekonstruktion dar, da die Zerfallsprodukte in Flugrichtung des Top-Quarks gebündelt sind und die Rekonstruktion in drei einzelnen Jets nicht effizient ist. Ein überlagerter Top-Quark-Zerfall kann stattdessen in einem großen Jet rekonstruiert werden und die spezifische Substruktur des Jets kann verwendet werden, um den überlagerte Top-Quark-Jets zu identifizieren. Das alles führt zu einem zunehmenden Interesse an Jet-Substruktur von experimenteller und theoretischer Seite. Die erste Analyse ist die erste Messung der Jetmasse in vollständig überlagerten Top-Quark-Zerfällen in tt-Produktion. Die Daten wurden im Jahr 2012 bei einer Schwerpunktsenergie von 8 TeV aufgezeichnet. Die Daten wurden um Detektoreffekte korrigiert und mit Monte Carlo (MC) simulierten Verteilungen verglichen. Die Sensitivität der Verteilung auf die Top-Quark-Masse wird genutzt um einen Wert für die Masse von mt = 170.8 ± 9.0 GeV zu extrahieren. Die Unsicherheiten auf diese Messung werden dominiert von statistischen Unsicherheiten. Das zukünftige Ziel dieser Messung ist eine Extraktion einer wohldefinierten Masse aus einem Vergleich mit analytischen Rechnungen, sobald diese für den gemessenen Phasenraum verfügbar sind. Die zweite Analyse beinhaltet Studien zur Effizienz des CMSTopTagger v2 und des HOTVR-Algorithmus in Daten und Simulation. Top-Tagging-Algorithmen werden benötigt um, vollständig überlagerte Top-Quark-Zerfälle zu identifizieren. Eine neue Methode zur Messung der offiziellen CMS-Top-Tagging-Skalenfaktoren wird präsentiert. Sie werden für "vollständig-überlagerte", "teilweise-überlagerte", und "nicht-überlagerte" Top-Quark-Jets gemessen, um gegenüber früheren Messungen weniger abhängig vom Messungsphasenraum zu sein. Die Top-Tagging-Skalenfaktoren wurden für Daten bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV aus den Jahren 2016 und 2017 gemessen und werden in mehreren CMS-Analysen verwendet um Effizienzunterschiede zwischen Daten und Simulation auszugleichen. Mitag-Raten wurden in 2016 Daten mit einer ”cut-and-count”-Methode studiert.