Measurement of Jet Mass Distributions of Boosted W Bosons

Abstract

In this thesis, the groomed jet mass of hadronically decaying W bosons and top quarks is analyzed in data of proton-proton collisions from the LHC at √s = 13 TeV. The data were collected by the CMS experiment in the years 2016 to 2018 and correspond to an integrated luminosity of 138fb^-1. Two analyses are presented using events in which the W boson or top quark has a large transverse momentum and thus produces strongly collimated decay products reconstructed as single large-radius jets. Such boosted jets are produced at the LHC at a high rate. They are subject of many Standard Model measurements and beyond the Standard Model searches alike and therefore a precise measurement and understanding of such jets is of wide use. Boosted jets can be identified by studying their substructure, in particular, the jet mass is sensitive as it is a measure of the mass of the W boson or top quark. Previous measurements of jet mass have been carried out for gluon, quark and top jets in dijet, Z(ll)+jet and tt̄ samples, while the measurement of W jet mass has not been performed yet and is for the first time pursued in this thesis. The substructure of these jets serves as a valuable tool in various processes such as jet calibration and jet tagging/identification. However, there is still room for enhancement in understanding this substructure due to imperfect modeling of effects arising from perturbative QCD (parton showers) and non-perturbative QCD (hadronization of partons) in simulations. One aspect that is particularly difficult to predict is that large-radius jets encompass soft and wide-angle radiation, which obscures jet substructure variables. To mitigate this issue, jet grooming algorithms are applied here.

In the first analysis, precise correction factors to the simulation for the groomed jet mass scale of W jets and top jets are measured in bins of the transverse momentum from 500 to 1200 GeV of the ungroomed jet in samples of semileptonic tt̄ events and fully-hadronic W(qq̄) events. The correction factors are measured in a simultaneous fit to data in signal and control regions. The main challenge here is the dominant QCD multijet background in the W(qq̄), which is estimated using a sophisticated method from control region data. The signal and control regions are constructed using two different boosted jet tagging approaches to compare their effect on the jet mass scale. Further, the correction factors are studied to estimate the correlation between the jet mass scale and the jet energy scale in the CMS experiment. The final correction factor measurement reaches a high precision of ∼ 1% and shows a residual difference of the jet mass scale between data and simulation of under only 2% in a largely extended range of transverse momentum up to 1200 GeV using a calibration sample with W(qq̄) for the first time.

The second analysis is the first measurement of the groomed jet mass distribution of W jets in bins of the transverse momentum on particle-level in data. For the measurement, a two-dimensional maximum likelihood unfolding is performed in fully-hadronic W(qq̄) events. The unfolded data and the compared prediction from simulation at LO+MLM accuracy with NLO (QCD and EWK) corrections are in agreement within the uncertainties. The uncertainty on the unfolded data distribution in the W mass peak region is between 30–80% in the range of transverse momentum from 650–1200 GeV. With the planned HL-LHC, higher precision can be reached, however, requiring significantly reduced systematic uncertainties in jet substructure modeling. This study is an important first step towards a measurement of the W mass in the all-jets final state.

Alternate abstract:

In dieser Arbeit wird die Jetmasse unter Anwendung von Grooming-Algorithmen (“groomed” Jetmasse) von hadronisch zerfallenden W-Bosonen und Top-Quarks in Daten von Proton-Proton-Kollisionen am LHC bei √s = 13 TeV analysiert. Die Daten wurden vom CMS-Experiment in den Jahren 2016 bis 2018 gesammelt und entsprechen einer integrierten Luminosität von 138fb^-1. Zwei Analysen werden vorgestellt, die Ereignisse verwenden, in denen das W-Boson oder das Top-Quark einen großen Transversalimpuls hat und somit stark kollimierte Zerfallsprodukte erzeugt, und somit als einzelne Jets mit großem Radius rekonstruiert werden. Solche “boosted” Jets werden am LHC in hoher Rate produziert. Sie sind Gegenstand vieler Messungen des Standardmodells und auch von Untersuchungen jenseits des Standardmodells, weshalb eine präzise Messung und ein Verständnis solcher Jets von weitem Nutzen ist. Boosted Jets können anhand ihrer Substruktur identifiziert werden. Insbesondere die Jetmasse ist sensitiv, da sie ein Maß für die Masse des W-Bosons oder des Top-Quarks ist. Frühere Messungen der Jetmasse wurden für Gluon-, Quark- und Top-Jets in Dijet-, Z(ll)+Jet- und tt̄-Prozessen durchgeführt, während die Messung der W-Jetmasse noch aussteht und erstmals in dieser Arbeit verfolgt wird. Die Substruktur dieser Jets erweist sich als wertvolles Werkzeug in verschiedenen Prozessen wie Jetkalibrierung und Jet-Identifikation (“tagging”). Dennoch gibt es immer noch Raum für Verbesserungen im Verständnis dieser Substruktur aufgrund der unvollkommenen Modellierung der Effekte, die aus der perturbativen QCD (Parton Showers) und der nicht-perturbativen QCD (Hadronisierung von Partonen) in Simulationen resultieren. Im Kontext dieser Arbeit beinhalten die Jets mit großem Radius nieder-energetische und Abstrahlung in großem Winkel, welche die Variablen der Jet-Substruktur verändern. Um dieses Problem anzugehen, werden hier Jet-Grooming-Algorithmen angewendet.

In der ersten Analyse werden präzise Korrekturfaktoren für die Simulation der groomed Jetmasse von W-Jets und Top-Jets als Funktion des transversalen Impulses von 500 bis 1200 GeV des groomed Jets in Proben von semileptonischen tt̄-Ereignissen und vollhadronischen W(qq̄)-Ereignissen gemessen. Die Korrekturfaktoren werden in einem simultanen Fit an Daten in Signal- und Kontrollregionen gemessen. Die Hauptherausforderung besteht darin, den dominierenden QCD-Multijet-Untergrund im W(qq̄) abzuschätzen, was mit einer dedizierten Methode aus Daten der Kontrollregion erreicht wird. Die Signal- und Kontrollregionen werden unter Verwendung von zwei verschiedenen Tagging-Ansätzen konstruiert, um deren Auswirkungen auf die Jetmassenskala zu vergleichen. Darüber hinaus werden die Korrekturfaktoren untersucht, um die Korrelation zwischen der Jetmassenskala und der Jetenergieskala abzuschätzen. Die finale Messung der Korrekturfaktoren erreicht eine hohe Präzision von etwa  ∼ 1% und zeigt eine Restdifferenz der Jetmassenskala zwischen Daten und Simulation von nur 2% in einem weiten Bereich des transversalen Impulses bis zu 1200 GeV unter erstmaliger Verwendung des W(qq̄)-Prozesses für die Kalibration.

Die zweite Analyse stellt die erste Messung der Verteilung der groomed Jetmasse von W-Jets in Bins des transversalen Impulses auf Teilchenebene in Daten dar. Für diese Messung wird eine zweidimensionale Maximum-Likelihood-Entfaltungstechnik in vollhadronischen W(qq̄)-Ereignissen angewendet. Die entfalteten Daten und die verglichene Vorhersage aus Simulation mit LO+MLM-Genauigkeit mit NLO-Korrekturen (QCD und EWK) stimmen innerhalb der Unsicherheiten überein. Die Unsicherheit der entfalteten Datenverteilung im W-Massen-Peak-Bereich liegt zwischen 30–80% im Bereich des transversalen Impulses von 650–1200 GeV. Mit dem geplanten HL-LHC kann eine höhere Präzision erreicht werden, was jedoch eine deutliche Verringerung der systematischen Unsicherheiten bei der Modellierung der Jet-Substruktur erfordert. Diese Studie ist ein wichtiger erster Schritt auf dem Weg zur Messung der W-Masse im Endzustand des All-Jets.