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Title: Identification of tau leptons using a convolutional neural network with domain adaptation
Abstract A tau lepton identification algorithm,DeepTau, based on convolutional neural network techniques, has been developed in the CMS experiment to discriminate reconstructed hadronic decays of tau leptons (τh) from quark or gluon jets and electrons and muons that are misreconstructed as τhcandidates. The latest version of this algorithm, v2.5, includes domain adaptation by backpropagation, a technique that reduces discrepancies between collision data and simulation in the region with the highest purity of genuine τhcandidates. Additionally, a refined training workflow improves classification performance with respect to the previous version of the algorithm, with a reduction of 30–50% in the probability for quark and gluon jets to be misidentified as τhcandidates for given reconstruction and identification efficiencies. This paper presents the novel improvements introduced in theDeepTaualgorithm and evaluates its performance in LHC proton-proton collision data at √(s) = 13 and 13.6 TeV collected in 2018 and 2022 with integrated luminosities of 60 and 35 fb-1, respectively. Techniques to calibrate the performance of the τh  identification algorithm in simulation with respect to its measured performance in real data are presented, together with a subset of results among those measured for use in CMS physics analyses.  more » « less
Award ID(s):
2121686
PAR ID:
10713098
Author(s) / Creator(s):
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Corporate Creator(s):
Publisher / Repository:
IOP Science
Date Published:
Journal Name:
Journal of Instrumentation
Volume:
20
Issue:
12
ISSN:
1748-0221
Page Range / eLocation ID:
P12032
Format(s):
Medium: X
Sponsoring Org:
National Science Foundation
More Like this
  1. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of Instrumentation)
    Abstract A new algorithm is presented to discriminate reconstructed hadronic decays of tau leptons ( τ h ) that originate from genuine tau leptons in the CMS detector against τ h candidates that originate from quark or gluon jets, electrons, or muons. The algorithm inputs information from all reconstructed particles in the vicinity of a τ h candidate and employs a deep neural network with convolutional layers to efficiently process the inputs. This algorithm leads to a significantly improved performance compared with the previously used one. For example, the efficiency for a genuine τ h to pass the discriminator against jets increases by 10–30% for a given efficiency for quark and gluon jets. Furthermore, a more efficient τ h reconstruction is introduced that incorporates additional hadronic decay modes. The superior performance of the new algorithm to discriminate against jets, electrons, and muons and the improved τ h reconstruction method are validated with LHC proton-proton collision data at √ s = 13 TeV. 
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  2. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A measurement of the angular structure of inclusive jets and those containing a prompt D0meson in proton-proton collisions at the LHC at a center-of-mass energy of 5.02 TeV is presented. The data corresponding to an integrated luminosity of 301 pb−1were collected by the CMS experiment in 2017. Two jet grooming algorithms, late-kTand soft drop, are used to study the intrajet radiation pattern using iterative Cambridge-Aachen declustering. The splitting-angle distributions of jets with transverse momentum (pT) of around 100 GeV, obtained with these two algorithms, show that there is a shift of the distribution for jets containing a prompt D0meson with respect to inclusive jets. The suppression of emissions at small angles observed in the late-kTgrooming approach is consistent with the dead-cone effect, whereas the similar suppression for splittings selected with the soft-drop algorithm appears to be induced by gluon splitting to charm quark-antiquark pairs at large angles. The measured distributions are corrected to the particle level and can be used to constrain model predictions for the substructure of high-pTcharm quark jets. 
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  3. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A search for charged-lepton flavour violation (CLFV) in top quark (t) production and decay is presented. The search uses proton-proton collision data corresponding to 138 fb−1collected with the CMS experiment at$$\sqrt{s}={13}$$TeV. The signal consists of the production of a single top quark via a CLFV interaction or top quark pair production followed by a CLFV decay. The analysis selects events containing a hadronically decayingτlepton and a muon of opposite electric charge, as well as at least three jets, one of which is identified as originating from the fragmentation of a bottom quark. Machine learning classification techniques are used to distinguish signal from standard model background events. The results of this search are consistent with the standard model expectations. The upper limits at 95% confidence level on the branching fraction$$\mathcal{B}$$for CLFV top quark decays to a muon, aτlepton, and an up or a charm quark are set at$$\mathcal{B}\left({\text{t}}\to \mu \tau {\text{u}}\right)$$< (0.04, 0.08, and 0.12) × 10−6, and$$\mathcal{B}\left({\text{t}}\to \mu \tau {\text{c}}\right)$$< (0.81, 1.71, and 2.05) × 10−6for scalar, vector, and tensor-like operators, respectively. 
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  4. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    A<sc>bstract</sc> A measurement of the substructure of bottom quark jets (b jets) in proton-proton (pp) collisions is presented. The measurement uses data collected in pp collisions at$$ \sqrt{s}=5.02 $$ s=5.02 TeV, with a low number of simultaneous interactions per bunch crossing, recorded by the CMS experiment in 2017, corresponding to an integrated luminosity of 301 pb−1. An algorithm to identify and cluster the charged decay daughters of b hadrons is developed for this analysis, which facilitates the exposure of the gluon radiation pattern of b jets using iterative Cambridge-Aachen declustering. The soft-drop-groomed jet radius,Rg, and momentum balance,zg, of b quark jets are presented. These observables can be used to test perturbative quantum chromodynamics predictions that account for mass effects. Because the b hadron is partially reconstructed from its charged decay daughters, only charged particles are used for the jet substructure studies. In addition, a jet fragmentation function,zb,ch, is measured, which is defined as the distribution of the ratio of the transverse momentum (pT) of the partially reconstructed b hadron with respect to the charged-particle component of the jetpT. The substructure variable distributions are unfolded to the charged-particle level. The b jet substructure is compared to the substructure of jets in an inclusive jet sample that is dominated by light-quark and gluon jets in order to assess the role of the b quark mass. A strong suppression of emissions at smallRgvalues is observed for b jets when compared to inclusive jets, consistent with the dead-cone effect. The measurement is also compared with theoretical predictions from Monte Carlo event generators. This is the first substructure measurement of b jets that clusters together the b hadron decay daughters independent of the b hadron species and decay channel. 
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  5. ; ; ; ; ; ; ; ; ; ; et al (, Journal of High Energy Physics)
    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. 
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