Jet flavors: From the standard candles to the top quark mass

Abstract

The LHC began its second run in 2015 with upgraded hardware and software and an increased collision energy. With the higher energy scale the importance of jet physics has grown even larger than before. Jets are collimated sprays of hadrons that are produced in high-energy particle collisions. Understanding jets makes it possible to analyze the proton-proton collisions occurring at the LHC.

This work studies jet flavors and their definitions in the context of the CMS experiment. The motivation for this is that the jet energy corrections applied to the CMS data depend on the jet flavors. A jet flavor is typically understood as the flavor of the quark or gluon from which the jet originated. In other contexts, e.g. b-tagging, the meaning of a jet flavor can be slightly different.

Focus is given to the study of jet flavor definitions in simulations of proton-proton collisions. Due to the structure of simulations the flavor definitions have an algorithmic form. The flavor studies begin by inspecting the robustness of a previously favored jet flavor definition between three different simulation software packages. Here the robustness of a flavor means that the physical properties of each flavor are the same in three different collision event types (standard candle events).

Good robustness properties are observed between the software packages, but an excessive amount of jets is left without any flavor tag. A solution for this problem is sought for by developing enhanced flavor definitions. Two prominent new flavor definitions are found in the studies.

The knowledge gained in the flavor studies is then applied to the studies of top quark production. The abundance of jets is particularly high in collisions that produce top quarks, so jet-related knowledge is important. It turns out that here the jet flavor properties are somewhat similar to those observed in the standard candle collision events. However, there are some differences that require further study. To conclude, a simulated measurement of the top quark mass is made. This provides valuable understanding of the practical issues related to a top mass measurement.

LHC aloitti toisen toimintajaksonsa vuonna 2015 kasvatetulla törmäysenergialla ja päivitetyllä laitteistolla. Energiaskaalan kasvun myötä jettien fysiikan merkitys on entistäkin suurempi. Jetit ovat kapeita hadroniryöppyjä, joita syntyy korkean energian hiukkastörmäyksissä. LHC:lla tapahtuvien protoni–protoni-törmäysten analysointi on mahdollista jettien ymmärtämisen ansiosta.

Tässä työssä tutkitaan jettien makuja ja niiden määritelmiä CMS-kokeen kontekstissa. Tutkimusta motivoi se, että CMS-kokeen tuottaman datan jettien energia-korjauksissa jettien mauilla on suuri merkitys. Jetin maulla tarkoitetaan yleensä sen kvarkin tai gluonin tyyppiä, josta jetti on peräisin. Merkitys voi kuitenkin vaihdella hiukan eri yhteyksissä, kuten b-jettien tutkimuksessa.

Työ keskittyy jettimakujen tutkimukseen protoni–protoni-törmäyksien simulaatioissa. Simulaatioiden rakenteen vuoksi jettimaku määritellään algoritmien avulla. Makujen tutkimus alkaa aiemmin hyväksi todetun määritelmän vakauden vertailulla kolmen simulaatio-ohjelmiston välillä. Vakaudella tarkoitetaan sitä, että kunkin jettimaun fysikaaliset ominaisuudet pysyvät samoina kolmessa eri törmäystyypissä (referenssi-prosessit).

Simulaatio-ohjelmien väliset vakausominaisuudet todetaan hyviksi, mutta samalla havaitaan, että tilastollisesti liian monen jetin maun määritys epäonnistuu. Tähän ongelmaan haetaan ratkaisua kehittämällä parannettuja maun määritelmiä. Kaksi uutta määritelmää osoittautuu toimiviksi.

Makututkimuksessa kerättyä tietoa sovelletaan edelleen top-kvarkkeja tuottavien törmäysten tutkimiseen. Jettejä esiintyy erityisen paljon tällaisissa törmäyksissä, minkä vuoksi niiden tuntemus on tärkeää. Ilmenee, että jettimakujen ominaisuudet ovat jokseenkin samanlaisia kuin referenssi-prosesseissa. Jotkin poikkeavuudet kuitenkin vaativat jatkotutkimusta. Työn päätteeksi suoritetaan simulaatiopohjainen top-kvarkin massan määritys. Tämä tarjoaa hyvää ymmärrystä käytännön hankaluuksista, joita esiintyy top-kvarkin massan mittauksessa.