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Title: Optimisation of large-radius jet reconstruction for the ATLAS detector in 13 TeV proton–proton collisions
Abstract Jet substructure has provided new opportunities for searches and measurements at the LHC, and has seen continuous development since the optimization of the large-radius jet definition used by ATLAS was performed during Run 1. A range of new inputs to jet reconstruction, pile-up mitigation techniques and jet grooming algorithms motivate an optimisation of large-radius jet reconstruction for ATLAS. In this paper, this optimisation procedure is presented, and the performance of a wide range of large-radius jet definitions is compared. The relative performance of these jet definitions is assessed using metrics such as their pileup stability, ability to identify hadronically decaying W bosons and top quarks with large transverse momenta. A new type of jet input object, called a ‘unified flow object’ is introduced which combines calorimeter- and inner-detector-based signals in order to achieve optimal performance across a wide kinematic range. Large-radius jet definitions are identified which significantly improve on the current ATLAS baseline definition, and their modelling is studied using pp collisions recorded by the ATLAS detector at $$\sqrt{s}=13~\text {TeV}$$ s = 13 TeV during 2017.  more » « less
Award ID(s):
1812377
NSF-PAR ID:
10227214
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
81
Issue:
4
ISSN:
1434-6044
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract Jet energy scale and resolution measurements with their associated uncertainties are reported for jets using 36–81 fb $$^{-1}$$ - 1 of proton–proton collision data with a centre-of-mass energy of $$\sqrt{s}=13$$ s = 13   $${\text {Te}}{\text {V}}$$ TeV collected by the ATLAS detector at the LHC. Jets are reconstructed using two different input types: topo-clusters formed from energy deposits in calorimeter cells, as well as an algorithmic combination of charged-particle tracks with those topo-clusters, referred to as the ATLAS particle-flow reconstruction method. The anti- $$k_t$$ k t jet algorithm with radius parameter $$R=0.4$$ R = 0.4 is the primary jet definition used for both jet types. This result presents new jet energy scale and resolution measurements in the high pile-up conditions of late LHC Run 2 as well as a full calibration of particle-flow jets in ATLAS. Jets are initially calibrated using a sequence of simulation-based corrections. Next, several in situ techniques are employed to correct for differences between data and simulation and to measure the resolution of jets. The systematic uncertainties in the jet energy scale for central jets ( $$|\eta |<1.2$$ | η | < 1.2 ) vary from 1% for a wide range of high- $$p_{{\text {T}}}$$ p T jets ( $$2502.5~{\text {Te}}{\text {V}}$$ > 2.5 TeV ). The relative jet energy resolution is measured and ranges from ( $$24 \pm 1.5$$ 24 ± 1.5 )% at 20  $${\text {Ge}}{\text {V}}$$ GeV to ( $$6 \pm 0.5$$ 6 ± 0.5 )% at 300  $${\text {Ge}}{\text {V}}$$ GeV . 
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  2. null (Ed.)
    Abstract A search for pair production of scalar leptoquarks, each decaying into either an electron or a muon and a top quark, is presented. This is the first leptoquark search using ATLAS data to investigate top-philic cross-generational couplings that could provide explanations for recently observed anomalies in B meson decays. This analysis targets high leptoquark masses which cause the decay products of each resultant top quark to be contained within a single high- $$p_{\mathrm {T}}$$ p T large-radius jet. The full Run 2 dataset is exploited, consisting of $$139~\hbox {fb}^{-1}$$ 139 fb - 1 of data collected from proton–proton collisions at $$\sqrt{s}=13~\mathrm {TeV}$$ s = 13 TeV from 2015 to 2018 with the ATLAS detector at the CERN Large Hadron Collider. In the absence of any significant deviation from the background expectation, lower limits on the leptoquark masses are set at $$1480~\mathrm {GeV}$$ 1480 GeV and $$1470~\mathrm {GeV}$$ 1470 GeV for the electron and muon channel, respectively. 
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  3. null (Ed.)
    A bstract This paper presents a search for new heavy particles decaying into a pair of top quarks using 139 fb − 1 of proton-proton collision data recorded at a centre-of-mass energy of $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider. The search is performed using events consistent with pair production of high-transverse-momentum top quarks and their subsequent decays into the fully hadronic final states. The analysis is optimized for resonances decaying into a $$ t\overline{t} $$ t t ¯ pair with mass above 1.4 TeV, exploiting a dedicated multivariate technique with jet substructure to identify hadronically decaying top quarks using large-radius jets and evaluating the background expectation from data. No significant deviation from the background prediction is observed. Limits are set on the production cross-section times branching fraction for the new Z ′ boson in a topcolor-assisted-technicolor model. The Z ′ boson masses below 3.9 and 4.7 TeV are excluded at 95% confidence level for the decay widths of 1% and 3%, respectively. 
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  4. A bstract The fragmentation properties of jets containing b -hadrons are studied using charged B mesons in 139 fb − 1 of pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV, recorded with the ATLAS detector at the LHC during the period from 2015 to 2018. The B mesons are reconstructed using the decay of B ± into J/ψK ± , with the J/ψ decaying into a pair of muons. Jets are reconstructed using the anti- k t algorithm with radius parameter R = 0 . 4. The measurement determines the longitudinal and transverse momentum profiles of the reconstructed B hadrons with respect to the axes of the jets to which they are geometrically associated. These distributions are measured in intervals of the jet transverse momentum, ranging from 50 GeV to above 100 GeV. The results are corrected for detector effects and compared with several Monte Carlo predictions using different parton shower and hadronisation models. The results for the longitudinal and transverse profiles provide useful inputs to improve the description of heavy-flavour fragmentation in jets. 
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  5. A bstract The first collider search for dark matter arising from a strongly coupled hidden sector is presented and uses a data sample corresponding to 138 fb −1 , collected with the CMS detector at the CERN LHC, at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The hidden sector is hypothesized to couple to the standard model (SM) via a heavy leptophobic Z′ mediator produced as a resonance in proton-proton collisions. The mediator decay results in two “semivisible” jets, containing both visible matter and invisible dark matter. The final state therefore includes moderate missing energy aligned with one of the jets, a signature ignored by most dark matter searches. No structure in the dijet transverse mass spectra compatible with the signal is observed. Assuming the Z′ boson has a universal coupling of 0.25 to the SM quarks, an inclusive search, relevant to any model that exhibits this kinematic behavior, excludes mediator masses of 1.5–4.0 TeV at 95% confidence level, depending on the other signal model parameters. To enhance the sensitivity of the search for this particular class of hidden sector models, a boosted decision tree (BDT) is trained using jet substructure variables to distinguish between semivisible jets and SM jets from background processes. When the BDT is employed to identify each jet in the dijet system as semivisible, the mediator mass exclusion increases to 5.1 TeV, for wider ranges of the other signal model parameters. These limits exclude a wide range of strongly coupled hidden sector models for the first time. 
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