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Title: Measurement and QCD analysis of double-differential inclusive jet cross sections in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV
A bstract A measurement of the inclusive jet production in proton-proton collisions at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The double-differential cross sections are measured as a function of the jet transverse momentum p T and the absolute jet rapidity |y| . The anti- k T clustering algorithm is used with distance parameter of 0.4 (0.7) in a phase space region with jet p T from 97 GeV up to 3.1 TeV and |y| < 2 . 0. Data collected with the CMS detector are used, corresponding to an integrated luminosity of 36.3 fb − 1 (33.5 fb − 1 ). The measurement is used in a comprehensive QCD analysis at next-to-next-to-leading order, which results in significant improvement in the accuracy of the parton distributions in the proton. Simultaneously, the value of the strong coupling constant at the Z boson mass is extracted as α S ( m Z ) = 0 . 1170 ± 0 . 0019. For the first time, these data are used in a standard model effective field theory analysis at next-to-leading order, where parton distributions and the QCD parameters are extracted simultaneously with imposed constraints on the Wilson coefficient c 1 of 4-quark contact interactions.  more » « less
Award ID(s):
2121686
NSF-PAR ID:
10374172
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
2
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. A<sc>bstract</sc>

    A measurement of the top quark pole mass$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$mtpolein events where a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯) is produced in association with at least one additional jet ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯+jet) is presented. This analysis is performed using proton-proton collision data at$$ \sqrt{s} $$s= 13 TeV collected by the CMS experiment at the CERN LHC, corresponding to a total integrated luminosity of 36.3 fb1. Events with two opposite-sign leptons in the final state (e+e,μ+μ, e±μ) are analyzed. The reconstruction of the main observable and the event classification are optimized using multivariate analysis techniques based on machine learning. The production cross section is measured as a function of the inverse of the invariant mass of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$tt¯+jet system at the parton level using a maximum likelihood unfolding. Given a reference parton distribution function (PDF), the top quark pole mass is extracted using the theoretical predictions at next-to-leading order. For the ABMP16NLO PDF, this results in$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$mtpole= 172.93±1.36 GeV.

     
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  2. A bstract A combination of measurements of the inclusive top-quark pair production cross-section performed by ATLAS and CMS in proton–proton collisions at centre-of-mass energies of 7 and 8 TeV at the LHC is presented. The cross-sections are obtained using top-quark pair decays with an opposite-charge electron–muon pair in the final state and with data corresponding to an integrated luminosity of about 5 fb − 1 at $$ \sqrt{s} $$ s = 7 TeV and about 20 fb − 1 at $$ \sqrt{s} $$ s = 8 TeV for each experiment. The combined cross-sections are determined to be 178 . 5 ± 4 . 7 pb at $$ \sqrt{s} $$ s = 7 TeV and $$ {243.3}_{-5.9}^{+6.0} $$ 243.3 − 5.9 + 6.0 pb at $$ \sqrt{s} $$ s = 8 TeV with a correlation of 0.41, using a reference top-quark mass value of 172.5 GeV. The ratio of the combined cross-sections is determined to be R 8 / 7 = 1 . 363 ± 0 . 032. The combined measured cross-sections and their ratio agree well with theory calculations using several parton distribution function (PDF) sets. The values of the top-quark pole mass (with the strong coupling fixed at 0.118) and the strong coupling (with the top-quark pole mass fixed at 172.5 GeV) are extracted from the combined results by fitting a next-to-next-to-leading-order plus next-to-next-to-leading-log QCD prediction to the measurements. Using a version of the NNPDF3.1 PDF set containing no top-quark measurements, the results obtained are $$ {m}_t^{\textrm{pole}}={173.4}_{-2.0}^{+1.8} $$ m t pole = 173.4 − 2.0 + 1.8 GeV and $$ {\alpha}_{\textrm{s}}\left({m}_Z\right)={0.1170}_{-0.0018}^{+0.0021} $$ α s m Z = 0.1170 − 0.0018 + 0.0021 . 
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  3. Abstract The mass of the top quark is measured using a sample of $${{\text {t}}\overline{{\text {t}}}}$$ t t ¯ events collected by the CMS detector using proton-proton collisions at $$\sqrt{s}=13$$ s = 13 $$\,\text {TeV}$$ TeV at the CERN LHC. Events are selected with one isolated muon or electron and at least four jets from data corresponding to an integrated luminosity of 35.9 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . For each event the mass is reconstructed from a kinematic fit of the decay products to a $${{\text {t}}\overline{{\text {t}}}}$$ t t ¯ hypothesis. Using the ideogram method, the top quark mass is determined simultaneously with an overall jet energy scale factor (JSF), constrained by the mass of the W boson in $${\text {q}} \overline{{\text {q}}} ^\prime $$ q q ¯ ′ decays. The measurement is calibrated on samples simulated at next-to-leading order matched to a leading-order parton shower. The top quark mass is found to be $$172.25 \pm 0.08\,\text {(stat+JSF)} \pm 0.62\,\text {(syst)} \,\text {GeV} $$ 172.25 ± 0.08 (stat+JSF) ± 0.62 (syst) GeV . The dependence of this result on the kinematic properties of the event is studied and compared to predictions of different models of $${{\text {t}}\overline{{\text {t}}}}$$ t t ¯ production, and no indications of a bias in the measurements are observed. 
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  4. Abstract The production of Z bosons associated with jets is measured in $$\text {p}\text {p}$$ pp collisions at $$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$ s = 13 Te V with data recorded with the CMS experiment at the LHC corresponding to an integrated luminosity of 36.3 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The multiplicity of jets with transverse momentum $$p_{\textrm{T}} > 30\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ p T > 30 Ge V is measured for different regions of the Z boson’s $$p_{\textrm{T}} (\text {Z })$$ p T ( Z ) , from lower than 10 $$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V to higher than 100 $$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V . The azimuthal correlation $$\varDelta \phi $$ Δ ϕ between the Z boson and the leading jet, as well as the correlations between the two leading jets are measured in three regions of $$p_{\textrm{T}} (\text {Z })$$ p T ( Z ) . The measurements are compared with several predictions at leading and next-to-leading orders, interfaced with parton showers. Predictions based on transverse-momentum dependent parton distributions and corresponding parton showers give a good description of the measurement in the regions where multiple parton interactions and higher jet multiplicities are not important. The effects of multiple parton interactions are shown to be important to correctly describe the measured spectra in the low $$p_{\textrm{T}} (\text {Z })$$ p T ( Z ) regions. 
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  5. A bstract A measurement of prompt photon-pair production in proton-proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV is presented. The data were recorded by the ATLAS detector at the LHC with an integrated luminosity of 139 fb − 1 . Events with two photons in the well-instrumented region of the detector are selected. The photons are required to be isolated and have a transverse momentum of $$ {p}_{\mathrm{T}{,}_{\gamma 1(2)}} $$ p T , γ 1 2 > 40 (30) GeV for the leading (sub-leading) photon. The differential cross sections as functions of several observables for the diphoton system are measured and compared with theoretical predictions from state-of-the-art Monte Carlo and fixed-order calculations. The QCD predictions from next-to-next-to-leading-order calculations and multi-leg merged calculations are able to describe the measured integrated and differential cross sections within uncertainties, whereas lower-order calculations show significant deviations, demonstrating that higher-order perturbative QCD corrections are crucial for this process. The resummed predictions with parton showers additionally provide an excellent description of the low transverse-momentum regime of the diphoton system. 
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