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  • Measurement of $$ t\overline{t} $$ production in association with additional b-jets in the eμ final state in proton–proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector

This content will become publicly available on January 1, 2026

Title: Measurement of $$ t\overline{t} $$ production in association with additional b-jets in the eμ final state in proton–proton collisions at $$ \sqrt{s} $$ = 13 TeV with the ATLAS detector
A<sc>bstract</sc> This paper presents measurements of top-antitop quark pair ($$ t\overline{t} $$ t t ¯ ) production in association with additionalb-jets. The analysis utilises 140 fb−1of proton–proton collision data collected with the ATLAS detector at the Large Hadron Collider at a centre-of-mass energy of 13 TeV. Fiducial cross-sections are extracted in a final state featuring one electron and one muon, with at least three or fourb-jets. Results are presented at the particle level for both integrated cross-sections and normalised differential cross-sections, as functions of global event properties, jet kinematics, andb-jet pair properties. Observable quantities characterisingb-jets originating from the top quark decay and additionalb-jets are also measured at the particle level, after correcting for detector effects. The measured integrated fiducial cross-sections are consistent with$$ t\overline{t}b\overline{b} $$ t t ¯ b b ¯ predictions from various next-to-leading-order matrix element calculations matched to a parton shower within the uncertainties of the predictions. State-of-the-art theoretical predictions are compared with the differential measurements; none of them simultaneously describes all observables. Differences between any two predictions are smaller than the measurement uncertainties for most observables.  more » « less
Award ID(s):
2309613
PAR ID:
10599279
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
JHEP01(2025)068
Date Published:
Journal Name:
Journal of High Energy Physics
Volume:
2025
Issue:
1
ISSN:
1029-8479
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
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  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Measurements of inclusive and normalized differential cross sections of the associated production of top quark-antiquark and bottom quark-antiquark pairs,$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ t t ¯ b b ¯ , are presented. The results are based on data from proton-proton collisions collected by the CMS detector at a centre-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. The cross sections are measured in the lepton+jets decay channel of the top quark pair, using events containing exactly one isolated electron or muon and at least five jets. Measurements are made in four fiducial phase space regions, targeting different aspects of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ t t ¯ b b ¯ process. Distributions are unfolded to the particle level through maximum likelihood fits, and compared with predictions from several event generators. The inclusive cross section measurements of this process in the fiducial phase space regions are the most precise to date. In most cases, the measured inclusive cross sections exceed the predictions with the chosen generator settings. The only exception is when using a particular choice of dynamic renormalization scale,$$ {\mu}_{\textrm{R}}=\frac{1}{2}{\prod}_{i=\textrm{t},\overline{\textrm{t}},\textrm{b},\overline{\textrm{b}}}{m}_{\textrm{T},i}^{1/4} $$ μ R = 1 2 ∏ i = t , t ¯ , b , b ¯ m T , i 1 / 4 , where$$ {m}_{\textrm{T},i}^2={m}_i^2+{p}_{\textrm{T},i}^2 $$ m T , i 2 = m i 2 + p T , i 2 are the transverse masses of top and bottom quarks. The differential cross sections show varying degrees of compatibility with the theoretical predictions, and none of the tested generators with the chosen settings simultaneously describe all the measured distributions. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Differential cross sections for top quark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) production are measured in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV using a sample of events containing two oppositely charged leptons. The data were recorded with the CMS detector at the CERN Large Hadron Collider and correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. The differential cross sections are measured as functions of kinematic observables of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ system, the top quark and antiquark and their decay products, as well as of the number of additional jets in the event. The results are presented as functions of up to three variables and are corrected to the parton and particle levels. When compared to standard model predictions based on quantum chromodynamics at different levels of accuracy, it is found that the calculations do not always describe the observed data. The deviations are found to be largest for the multi-differential cross sections. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A measurement of the top quark pole mass$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$ m t pole in events where a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ ) is produced in association with at least one additional jet ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ +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 fb−1. 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$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}} $$ t t ¯ +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$$ {m}_{\textrm{t}}^{\textrm{pole}} $$ m t pole = 172.93±1.36 GeV. 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> An analysis of the production of a Higgs boson (H) in association with a top quark-antiquark pair ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H ) or a single top quark (tH) is presented. The Higgs boson decay into a bottom quark-antiquark pair (H →$$ \textrm{b}\overline{\textrm{b}} $$ b b ¯ ) is targeted, and three different final states of the top quark decays are considered, defined by the number of leptons (electrons or muons) in the event. The analysis utilises proton-proton collision data collected at the CERN LHC with the CMS experiment at$$ \sqrt{s} $$ s = 13 TeV in 2016–2018, which correspond to an integrated luminosity of 138 fb−1. The observed$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate relative to the standard model expectation is 0.33 ± 0.26 = 0.33 ± 0.17(stat) ± 0.21(syst). Additionally, the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H production rate is determined in intervals of Higgs boson transverse momentum. An upper limit at 95% confidence level is set on the tH production rate of 14.6 times the standard model prediction, with an expectation of$$ {19.3}_{-6.0}^{+9.2} $$ 19.3 − 6.0 + 9.2 . Finally, constraints are derived on the strength and structure of the coupling between the Higgs boson and the top quark from simultaneous extraction of the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{H} $$ t t ¯ H and tH production rates, and the results are combined with those obtained in other Higgs boson decay channels. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> Measurements are presented of inclusive and differential cross sections for Z boson associated production of top quark pairs ($$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{Z} $$ t t ¯ Z ) and single top quarks (tZq or tWZ). The data were recorded in proton-proton collisions at a center-of-mass energy of 13 TeV, corresponding to an integrated luminosity of 138 fb−1. Events with three or more leptons, electrons or muons, are selected and a multiclass deep neural network is used to separate three event categories, the$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{Z} $$ t t ¯ Z and tWZ processes, the tZq process, and the backgrounds. A profile likelihood approach is used to unfold the differential cross sections, to account for systematic uncertainties, and to determine the correlations between the two signal categories in one global fit. The inclusive cross sections for a dilepton invariant mass between 70 and 110 GeV are measured to be 1.14 ± 0.07 pb for the sum of$$ \textrm{t}\overline{\textrm{t}}\textrm{Z} $$ t t ¯ Z and tWZ, and 0.81 ± 0.10 pb for tZq, in good agreement with theoretical predictions. 
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