Parameterized model of Particle Flow event reconstruction for jet energy scale at CMS experiment

Abstract

The CMS experiment is one of the general-purpose particle physics experiments at the LHC at CERN. The LHC produces proton-proton collisions which are studied with complex detector configurations. Information from different parts of the detector is combined to determine what particles have been created in the collision events. At the CMS, this is primarily achieved using the Particle Flow reconstruction. Most of the data in high-energy particle physics experiments is observed as collimated sprays of particles, jets.

Jets are modelled to originate from a single quark or gluon, which defines the flavour of a jet. Jets offer a way to study quark and gluon properties. Especially b jets are related to various interesting physics, such as the top-quark mass. The mass of the top quark is again connected to the stability of the electroweak vacuum.

Energy corrections are applied to jets to take into account the inaccuracies in the observation. Generally, the corrections are not applied flavour dependently, which is a source of systematic uncertainty. Profound understanding of the flavour- dependent jet energy scale will help reduce these uncertainties.

A parameterized model of the CMS Particle Flow reconstruction, based on the single-particle responses, has been developed for this thesis. The flavour-dependent jet energy scale is studied using simulated collision events and the obtained results are compared with the official CMS results. The flavour-dependent correction factors for the jet response are also determined. Systematic uncertainties on the jet energy scale arising from the variations in the single-hadron response, photon response, and charged-hadron tracking efficiency are studied.

The missing transverse energy projection fraction (MPF) response has been reproduced with a sufficient accuracy. Differences in the jet energy scale and the jet energy fraction are observed compared to the official CMS results. Further studies are required to explain the observed differences. Studies of the sensitivity on the varied responses, calorimeter energy scales, and tracking efficiency offer new knowledge about the related systematic uncertainties.

CMS-koe on yksi Euroopan hiukkastutkimuskeskuksen CERN:n Suuren Hadronitörmäyttimen LHC:n yleisluontoisista kokeista. LHC törmäyttää toisiinsa pääasiassa protoneja. Törmäystuotteita tutkitaan monimutkaisilla ilmaisinkonfiguraatioilla. Koottua tietoa eri ilmaisimen osista käytetään törmäyksessä syntyneiden hiukkasten selvittämiseksi. CMS-kokeessa tämä päättely tehdään pääasiassa Particle Flow -rekonstruktiota hyödyntäen. Suurin osa datasta korkean energian fysiikan kokeissa havaitaan kartiomaisina hiukkasryöppyinä, jetteinä.

Jetit mallinnetaan syntyvän yksittäisestä kvarkista tai gluonista, mikä määrittää jetin maun. Täten jetit mahdollistavat tavan tutkia kvarkkien ja gluonien ominaisuuksia. Erityisesti b-jetit ovat tärkeitä monessa hiukkasfysiikan analyysissä, kuten huippukvarkin massan mittauksessa. Huippukvarkin massa taas on yhteydessä sähköheikon tyhjiön stabiiliuteen.

Mittausten epätarkkuuksia voidaan ottaa huomioon jettien energiakorjauksilla. Yleisesti ottaen energiakorjauksia ei tehdä makuriippuvasti, mikä on yksi systemaattisen epävarmuuden lähde. Jettien makuriippuvan energiaskaalan syvällinen ymmärrys auttaa vähentämään mittausten epävarmuuksia.

Tätä työtä varten kehitettiin parametrisoitu malli CMS Particle Flow -rekonstruktiolle, joka pohjautuu yksihiukkasresponsseihin. Makuriippuvaa jettien energiaskaalaa tutkitaan käyttäen simuloituja törmäystapahtumia ja saatuja tuloksia verrataan CMS:n virallisiin tuloksiin. Työssä määritetään myös jettien makuriippuvat energiakorjauskertoimet. Jettien energiaskaalan systemaattisia epävarmuuksia tutkitaan varioimalla yksihiukkasresponsseja, kalorimetriskaalaa ja ratailmaisimen suorituskykyä.

MPF-responssi (missing transverse energy projection fraction response) on onnistuttu toistamaan riittävällä tarkkuudella. Eroavaisuuksia CMS:n virallisiin tuloksiin havaittiin jettien energiaskaalassa ja energiajakaumassa. Näiden eroavaisuuksien selvittämiseksi vaaditaan jatkotutkimuksia. Herkkyysanalyysi tuotti uutta tietoa liittyen jettien energiaskaalan systemaattisiin epävarmuuksiin.