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Title: Measurement of the differential $$\hbox {t}\overline{\hbox {t}}$$ production cross section as a function of the jet mass and extraction of the top quark mass in hadronic decays of boosted top quarks
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 .  more » « less
Award ID(s):
2209553 2121686
PAR ID:
10463776
Author(s) / Creator(s):
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Date Published:
Journal Name:
The European Physical Journal C
Volume:
83
Issue:
7
ISSN:
1434-6052
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. Abstract The mass of the top quark is measured in 36.3$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 of LHC proton–proton collision data collected with the CMS detector at$$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V} $$ s = 13 Te V . The measurement uses a sample of top quark pair candidate events containing one isolated electron or muon and at least four jets in the final state. For each event, the mass is reconstructed from a kinematic fit of the decay products to a top quark pair hypothesis. A profile likelihood method is applied using up to four observables per event to extract the top quark mass. The top quark mass is measured to be$$171.77\pm 0.37\,\text {Ge}\hspace{-.08em}\text {V} $$ 171.77 ± 0.37 Ge V . This approach significantly improves the precision over previous measurements. 
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  2. 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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  3. 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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  4. Abstract The strange quark content of the proton is probed through the measurement of the production cross section for a W boson and a charm (c) quark in proton–proton collisions at a center-of-mass energy of 13$$\,\text {Te}\hspace{-.08em}\text {V}$$ Te V . The analysis uses a data sample corresponding to a total integrated luminosity of 138$$\,\text {fb}^{-1}$$ fb - 1 collected with the CMS detector at the LHC. The W bosons are identified through their leptonic decays to an electron or a muon, and a neutrino. Charm jets are tagged using the presence of a muon or a secondary vertex inside the jet. The$$\hbox {W}+\hbox {c}$$ W + c production cross section and the cross section ratio$$R_\textrm{c}^{\pm }= \sigma ({\hbox {W}}^{+}+\bar{\text {c}})/\sigma (\hbox {W}^{-}+{\textrm{c}})$$ R c ± = σ ( W + + c ¯ ) / σ ( W - + c ) are measured inclusively and differentially as functions of the transverse momentum and the pseudorapidity of the lepton originating from the W boson decay. The precision of the measurements is improved with respect to previous studies, reaching 1% in$$R_\textrm{c}^{\pm }= 0.950 \pm 0.005\,\text {(stat)} \pm 0.010 \,\text {(syst)} $$ R c ± = 0.950 ± 0.005 (stat) ± 0.010 (syst) . The measurements are compared with theoretical predictions up to next-to-next-to-leading order in perturbative quantum chromodynamics. 
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