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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
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. Abstract The identification of jets originating from quarks and gluons, often referred to as quark/gluon tagging, plays an important role in various analyses performed at the Large Hadron Collider, as Standard Model measurements and searches for new particles decaying to quarks often rely on suppressing a large gluon-induced background. This paper describes the measurement of the efficiencies of quark/gluon taggers developed within the ATLAS Collaboration, usingTeV proton–proton collision data with an integrated luminosity of 140 fbcollected by the ATLAS experiment. Two taggers with high performances in rejecting jets from gluon over jets from quarks are studied: one tagger is based on requirements on the number of inner-detector tracks associated with the jet, and the other combines several jet substructure observables using a boosted decision tree. A method is established to determine the quark/gluon fraction in data, by using quark/gluon-enriched subsamples defined by the jet pseudorapidity. Differences in tagging efficiency between data and simulation are provided for jets with transverse momentum between 500 GeV and 2 TeV and for multiple tagger working points. 
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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<sc>bstract</sc> A measurement is presented of the primary Lund jet plane (LJP) density in inclusive jet production in proton-proton collisions. The analysis uses 138 fb−1of data collected by the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV. The LJP, a representation of the phase space of emissions inside jets, is constructed using iterative jet declustering. The transverse momentumkTand the splitting angle ∆Rof an emission relative to its emitter are measured at each step of the jet declustering process. The average density of emissions as function of ln(kT/GeV) and ln(R/∆R) is measured for jets with distance parametersR= 0.4 or 0.8, transverse momentumpT>700 GeV, and rapidity |y|<1.7. The jet substructure is measured using the charged-particle tracks of the jet. The measured distributions, unfolded to the level of stable charged particles, are compared with theoretical predictions from simulations and with perturbative quantum chromodynamics calculations. Due to the ability of the LJP to factorize physical effects, these measurements can be used to improve different aspects of the physics modeling in event generators. 
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  4. 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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  5. A<sc>bstract</sc> A measurement is performed of Higgs bosons produced with high transverse momentum (pT) via vector boson or gluon fusion in proton-proton collisions. The result is based on a data set with a center-of-mass energy of 13 TeV collected in 2016–2018 with the CMS detector at the LHC and corresponds to an integrated luminosity of 138 fb−1. The decay of a high-pTHiggs boson to a boosted bottom quark-antiquark pair is selected using large-radius jets and employing jet substructure and heavy-flavor taggers based on machine learning techniques. Independent regions targeting the vector boson and gluon fusion mechanisms are defined based on the topology of two quark-initiated jets with large pseudorapidity separation. The signal strengths for both processes are extracted simultaneously by performing a maximum likelihood fit to data in the large-radius jet mass distribution. The observed signal strengths relative to the standard model expectation are$$ {4.9}_{-1.6}^{+1.9} $$ 4.9 1.6 + 1.9 and$$ {1.6}_{-1.5}^{+1.7} $$ 1.6 1.5 + 1.7 for the vector boson and gluon fusion mechanisms, respectively. A differential cross section measurement is also reported in the simplified template cross section framework. 
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