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Title: Study of quark and gluon jet substructure in Z+jet and dijet events from pp collisions
A bstract Measurements of jet substructure describing the composition of quark- and gluon-initiated jets are presented. Proton-proton (pp) collision data at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV collected with the CMS detector are used, corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb − 1 . Generalized angularities are measured that characterize the jet substructure and distinguish quark- and gluon-initiated jets. These observables are sensitive to the distributions of transverse momenta and angular distances within a jet. The analysis is performed using a data sample of dijet events enriched in gluon-initiated jets, and, for the first time, a Z+jet event sample enriched in quark-initiated jets. The observables are measured in bins of jet transverse momentum, and as a function of the jet radius parameter. Each measurement is repeated applying a “soft drop” grooming procedure that removes soft and large angle radiation from the jet. Using these measurements, the ability of various models to describe jet substructure is assessed, showing a clear need for improvements in Monte Carlo generators.  more » « less
Award ID(s):
2121686
NSF-PAR ID:
10374312
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2022
Issue:
1
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. null (Ed.)
    A bstract A search for standard model Higgs bosons (H) produced with transverse momentum ( p T ) greater than 450 GeV and decaying to bottom quark-antiquark pairs ( $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ ) is performed using proton-proton collision data collected by the CMS experiment at the LHC at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The data sample corresponds to an integrated luminosity of 137 fb − 1 . The search is inclusive in the Higgs boson production mode. Highly Lorentz-boosted Higgs bosons decaying to $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ are reconstructed as single large-radius jets, and are identified using jet substructure and a dedicated b tagging technique based on a deep neural network. The method is validated with Z → $$ \mathrm{b}\overline{\mathrm{b}} $$ b b ¯ decays. For a Higgs boson mass of 125 GeV, an excess of events above the background assuming no Higgs boson production is observed with a local significance of 2.5 standard deviations ( σ ), while the expectation is 0.7. The corresponding signal strength and local significance with respect to the standard model expectation are μ H = 3 . 7 ± 1 . 2(stat) $$ {}_{-0.7}^{+0.8} $$ − 0.7 + 0.8 (syst) $$ {}_{-0.5}^{+0.8} $$ − 0.5 + 0.8 (theo) and 1 . 9 σ . Additionally, an unfolded differential cross section as a function of Higgs boson p T for the gluon fusion production mode is presented, assuming the other production modes occur at the expected rates. 
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  2. A bstract Discriminating between quark- and gluon-initiated jets has long been a central focus of jet substructure, leading to the introduction of numerous observables and calculations to high perturbative accuracy. At the same time, there have been many attempts to fully exploit the jet radiation pattern using tools from statistics and machine learning. We propose a new approach that combines a deep analytic understanding of jet substructure with the optimality promised by machine learning and statistics. After specifying an approximation to the full emission phase space, we show how to construct the optimal observable for a given classification task. This procedure is demonstrated for the case of quark and gluons jets, where we show how to systematically capture sub-eikonal corrections in the splitting functions, and prove that linear combinations of weighted multiplicity is the optimal observable. In addition to providing a new and powerful framework for systematically improving jet substructure observables, we demonstrate the performance of several quark versus gluon jet tagging observables in parton-level Monte Carlo simulations, and find that they perform at or near the level of a deep neural network classifier. Combined with the rapid recent progress in the development of higher order parton showers, we believe that our approach provides a basis for systematically exploiting subleading effects in jet substructure analyses at the Large Hadron Collider (LHC) and beyond. 
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  3. A bstract The production cross section of a top quark pair in association with a photon is measured in proton-proton collisions in the decay channel with two oppositely charged leptons ( e ± μ ∓ , e + e − , or μ + μ − ). The measurement is performed using 138 fb − 1 of proton-proton collision data recorded by the CMS experiment at $$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV during the 2016–2018 data-taking period of the CERN LHC. A fiducial phase space is defined such that photons radiated by initial-state particles, top quarks, or any of their decay products are included. An inclusive cross section of 175 . 2 ± 2 . 5(stat) ± 6 . 3(syst) fb is measured in a signal region with at least one jet coming from the hadronization of a bottom quark and exactly one photon with transverse momentum above 20 GeV. Differential cross sections are measured as functions of several kinematic observables of the photon, leptons, and jets, and compared to standard model predictions. The measurements are also interpreted in the standard model effective field theory framework, and limits are found on the relevant Wilson coefficients from these results alone and in combination with a previous CMS measurement of the t $$ \overline{t} $$ t ¯ γ production process using the lepton+jets final state. 
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  4. Abstract This article presents measurements of the groomed jet radius and momentum splitting fraction in pp collisions at $$ \sqrt{s} $$ s = 5 . 02 TeV with the ALICE detector at the Large Hadron Collider. Inclusive charged-particle jets are reconstructed at midrapidity using the anti- k T algorithm for transverse momentum $$ 60<{p}_{\textrm{T}}^{\textrm{ch}\;\textrm{jet}}<80 $$ 60 < p T ch jet < 80 GeV/ c . We report results using two different grooming algorithms: soft drop and, for the first time, dynamical grooming. For each grooming algorithm, a variety of grooming settings are used in order to explore the impact of collinear radiation on these jet substructure observables. These results are compared to perturbative calculations that include resummation of large logarithms at all orders in the strong coupling constant. We find good agreement of the theoretical predictions with the data for all grooming settings considered. 
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  5. Abstract A measurement of the jet mass distribution in hadronic decays of Lorentz-boosted top quarks is presented. The measurement is performed in the lepton + jets channel of top quark pair production ( $$\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$$ t t ¯ ) events, where the lepton is an electron or muon. The products of the hadronic top quark decay are reconstructed using a single large-radius jet with transverse momentum greater than 400 $$\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Ge V . The data were collected with the CMS detector at the LHC in proton-proton collisions and correspond to an integrated luminosity of 138 $$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 . The differential $$\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$$ t t ¯ production cross section as a function of the jet mass is unfolded to the particle level and is used to extract the top quark mass. The jet mass scale is calibrated using the hadronic W boson decay within the large-radius jet. The uncertainties in the modelling of the final state radiation are reduced by studying angular correlations in the jet substructure. These developments lead to a significant increase in precision, and a top quark mass of $$173.06 \pm 0.84\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ 173.06 ± 0.84 Ge V . 
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