Tagging of Boosted Top Quarks using Reclustered Jets

Abstract

The ability to identify boosted top quarks will be of great importance in searches for new physics at the LHC, as boosted tops play an important role in many scenarios of physics beyond the Standard Model. One top tagging algorithm that has been successfully used in the ATLAS collaboration is the HEPTopTagger, which exploits the clustering history of Cambridge/Aachen (C/A) jets to filter out everything but the core objects inside the jets in an attempt to identify those originating from top quark decay. However, as most physics studies in ATLAS uses another jet algorithm, the anti-kt algorithm, it is of interest to know whether top tagging with the HEPTopTagger is possible on jets initially clustered with anti-kt . This thesis presents such a study, and it is found that the HEPTopTagger can be used with equal performance on anti-kt jets as C/A jets. Furthermore, it is demonstrated that the HEPTopTagger with anti-kt jets provide an exciting possibility for the discovery of heavy resonances decaying to boosted top-antitop quarks in dijet mass searches. In particular, we consider the top-antitop decay of a Kaluza-Klein gluon with a mass of 3 TeV.

Popular Abstract (Swedish)

Standardmodellen, vår nuvarande fysikaliska modell för att beskriva fundamentalpartiklar och deras växelverkan, har mött en enorm framgång genom åren – samtliga partiklar och växelverkningar som standardmodellen beskriver har bekräftats experimentellt. Standardmodellen har dock problem med att förklara vissa egenskaper hos partiklarna,och den är inte förenlig med gravitationskraften; en av de fyra fundamentala krafterna i naturen. Detta gör att standardmodellen av många anses vara en manifestation av en mer fundamental teori, giltig vid låga energier.

Vid partikelfysiklaboratoriet CERN utanför Geneve, kollideras protoner i partikelacceleratorn Large Hadron Collider (LHC) – världens största och mest kraftfulla partikelacceleratoranläggning – i hopp om att ge ny insikt om naturens allra minsta beståndsdelar. I kollisionerna omvandlas partiklarnas rörelse- och massenergi till nya partiklar. Dessa partiklar är inte jämnt fördelade över alla vinklar utan har en tendens att klumpa ihop sig inom mindre områden, i så kallade jettar.

Den här uppsatsen behandlar frågan om den algoritm som vanligtvis används för att rekonstruera jettar i ATLAS-experimentet vid LHC, den så kallade anti-kt-algoritmen, är kompatibel med en särskild metod för att identifiera energetiska toppkvarkar, känd som “HEPTopTagger”. Att identifiera energetiska toppkvarkar är särskilt intressant då många lovande utvidgningar av standardmodellen förutsäger nya, tunga, partiklar som framförallt sönderfaller till toppkvarkar med hög kinetisk energi. Av den anledningen anses toppkvarken utgöra en av de viktigaste signalerna för ny fysik.

Toppkvarken sönderfaller främst till en bottenkvark, samt en kvark och en antikvark via utsöndringen av en W-boson (en av kraftförmedlarna av den svaga kraften), i vad som kallas för det hadroniska toppsönderfallet. När toppkvarken produceras vid låga energier, är dess sönderfall separerat i tre distinkta jettar och tekniker för att identifiera sådana toppkvarkar är väl utvecklade. Om, däremot, toppkvarken har en hög energi, till exempel om den producerats i sönderfallet av en tung, ny, partikel, tenderar de tre distinkta jettarna från sönderfallet att närma sig varandra till den grad att de inte längre går att urskilja individuellt. Istället för att försöka identifiera tre distinkta jettar som är det typiska signalementet för ett hadroniskt toppkvarkssönderfall, utnyttjar HEPTopTagger istället idén att hela sönderfallet klumpas ihop i en stor jet. Genom analys av den inre strukturen i en sådan jet, så kallad substrukturanalys, kan metoden identifiera om jetten härrör från ett toppkvarksönderfall.

HEPTopTagger har typiskt använts på jettar som konstruerats med en algoritm annan än anti-kt, då anti-kt-jettar saknar den information som är nödvändig för substrukturanalys. I det här arbetet undersöks möjligheten att först konstruera jettar med anti-kt-algoritmen, sedan omrekonstruera dem med en algoritm som är bättre lämpad för subtrukturanalys, för att slutligen försöka identifiera toppkvarkar med hjälp av HEPTopTagger. Ett sådant förfarande är av intresse att undersökas, bland annat då tidigare jetanalyser i ATLAS kan återanvändas för att leta efter toppkvarkar med HEPTopTagger. Det här arbetet visar att HEPTopTaggers förmåga att korrekt identifiera toppkvarkar inte försämras vid ett sådant förfarande.

Tidigare analyser med HEPTopTagger har indikerat att metoden fungerar väl till att identifiera måttligt energetiska toppkvarkar. Det här arbetet visar att HEPTopTagger även går att använda vid mycket engergetiska toppkvarksönderfall, vilket demonstreras i en exempelanalys, i vilket en ny, tung, partikel som sönderfaller till ett toppkvark-antitoppkvarkpar, identifieras med hög signifikans med hjälp av HEPTopTagger.

• author: Calvén, Jakob
• supervisor: Torsten Åkesson
• organization: Department of Physics; Particle and nuclear physics
• course: FYSM60 20141
• year: 2014
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Physics and Astronomy
• keywords: High Energy Particle Physics, Jet Algorithms, Experimental Particle Physics, Boosted Top Quarks
• language: English
• id: 4697040
• date added to LUP: 2014-10-20 12:57:34
• date last changed: 2014-10-28 12:10:48