PARTON SHOWER UNCERTAINTIES ON THE TOP MASS

Abstract

The non-Abelian QCD nature allows for pp collisions to contain gluon emissions off quarks as well as gluon branchings into further gluons — a structure that can be described by the parton shower model. In this project we present the results of the impact the shower has on the reconstruction of the W-boson and top quark masses using Pythia, the Lund Monte Carlo event generator. As a warm-up, the importance of showers and of multiparton interactions, as well as the value of the strong coupling constant, is investigated. We further study the results from different parton shower implementations by comparing the data of the default Pythia shower with the one from three other algorithms — the initial-state dipole recoil in Pythia, the dipole-like Dire and the antenna-based Vincia showers. Comparisons on reconstructed top masses are presented both for a common default αS value and for one roughly tuned to give the same jet profile for all models. Unexpectedly large differences have been observed, amounting to ±0.5GeV in some cases. More detailed research could either reveal the origin of these discrepancies, or conclude that there is still a long way to go until the value of the top mass can be safely extracted from data.

Popular Abstract (Swedish)

Partikelfysikens standardmodell har framgångsrikt förutsagt de nu kända elementära partiklarna och deras växelverkningar. Liksom varje fysikmodell har den ett giltighetsområde. Det okända som kan tänkas inträffa utanför detta område kallas fysik bortom standardmodellen. Nya fenomen kan förväntas uppträda vid extremt höga energier, bortom de tillgängliga vid dagens kolliderare. En av de aspekter vi hoppas att en ny teori skulle ge oss förståelse för är topkvarkens extremt tunga massa. Denna massa svarar mot att Yukawakopplingen mellan top och Higgs är nära ett, och en så stor koppling spelar en betydelsefull roll i frågan om det elektrosvaga vacuumets stabilitet.

Studier av detta slag kräver hög experimentell precision vid mätning av topkvarkens massa. Olyckligtvis innehåller de händelser där top–antitop par bildas också mycket annan aktivitet som inte direkt är relaterat till den intressanta processen. Ett viktigt exempel är att kvarkar kan emittera gluoner som i sin tur kan splittras vidare, något som kan beskrivas i termer av s.k. partonkaskader. En annan svårighet är att kvarkar bär stark-växelverkan-färg och därför inte kan observeras direkt. Istället producerar de kollimerade partikelskurar, jets, som kan observeras i en detektor. Men man kan aldrig med säkerhet ange en individuell partikels ursprung. Det är därför viktigt att förstå hur dessa jets uppför sig, och för detta är experimentalister mycket beroende av händelsegeneratorer, där denna fysik modelleras. Ett sådant program, som användes i denna studie, är Pythia som huvudsakligen är skrivet av Lundafysiker.

Simuleringen av protonkrockar styrs enligt specifika modeller och algoritmer, som i sig innehåller ett mått av osäkerhet. I fokus av det nuvarande arbetet ligger en jämförelse mellan tre olika skuralgoritmer, nämligen Pythia, Dire och Vincia, varav de två sistnämnda kan användas inuti Pythia. Detta görs genom att generera semirealistiska proton-proton-kollisioner som sedan analyseras på ett sätt som rimligt nära anknyter till vad som kan göras experimentellt. I analysen av tophändelser hittas jettarna och kombineras för att försöka rekonstruera W-bosonens och topkvarkens massor.

Våra första studier visar att bägge de rekonstruerade massorna varierar som väntat när den starka kopplingens värde varieras, eller när inga partonkaskader tillåtes, eller när kollisioner mellan ytterliggare partonpar i de inkommande protonerna inte tas med. Resultaten från de centrala studierna i detta arbete, med tre olika partonkaskader, var inte entydiga. De tydde ändå på att det — i brist på bättre förståelse av och kontroll över kaskaderna — finns en osäkerhet på ungefär ±0.5 GeV i topkvarkens massa, jämförbar med den totala osäkerhet som ofta citeras vid LHC. Naturligtvis är vår studie fortfarande en förenklad version av den fulla experimentella, och i synnerhet har Dire och Vincia inte än utnyttjats till sin fulla potential.

Om vi summerar så är det imponerande att det faktiskt går att bestämma topmassan med så god precision, vilket visar på de stora framsteg som gjorts i vår förståelese av högenergikollisioner. Men det visar också på att vår förståelse har brister, att vi måste fortsätta sträva mot högsta möjliga precision. Man skall aldrig vara helt nöjd; det kommer alltid att finnas många fler vetenskapliga gåtor i behov av att redas ut.

• author: Hristova, Hristina Georgieva
• supervisor: Torbjörn Sjöstrand
• organization: Theoretical Particle Physics - Undergoing reorganization
• course: FYTK02 20191
• year: 2019
• type: M2 - Bachelor Degree
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: top quark mass, uncertainty, Lund Monte Carlo, Pythia
• report number: LU TP 19-13
• language: English
• id: 8991621
• date added to LUP: 2019-08-09 20:10:59
• date last changed: 2019-08-09 20:10:59