b jet response studies at the CMS experiment at LHC

Show full item record



Permalink

http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202108273574
Title: b jet response studies at the CMS experiment at LHC
Alternative title: b-jettien responssitutkimus CMS-kokeella
Author: Pirttikoski, Antti
Other contributor: Helsingin yliopisto, Matemaattis-luonnontieteellinen tiedekunta
University of Helsinki, Faculty of Science
Helsingfors universitet, Matematisk-naturvetenskapliga fakulteten
Publisher: Helsingin yliopisto
Date: 2021
Language: eng
URI: http://urn.fi/URN:NBN:fi:hulib-202108273574
http://hdl.handle.net/10138/333726
Thesis level: master's thesis
Degree program: Teoreettisten ja laskennallisten menetelmien maisteriohjelma
Master's Programme in Theoretical and Computational Methods
Magisterprogrammet i teoretiska och beräkningsmetoder
Specialisation: Fysiikka
Physics
Fysik
Abstract: LHC hiukkaskiihdytin on korkeaenergisin hiukkaskiihdytin koko maailmassa ja sitä käytetään alkeishiukkasten tutkimiseen törmäyttämällä protonisuihkuja toisiinsa. Yksi mielenkiintoisimmista tutkimusaiheista LHC:llä liittyy sähköheikon tyhjiön stabiiliuteen. Nykymittausten valossa tyhjiön ennustetaan olevan metastabiilissa tilassa. Tämä ennuste perustuu laskelmaan, joka riippuu huippu-kvarkin (t-kvarkki) massasta. Tarkempi t-kvarkin massan määritys voisi siirtää ennustetta lähemmäksi metastabiilin ja stabiilin tyhjiön raja-aluetta. Huippukvarkin massan määrittäminen on suoraan riippuvainen pohja-kvarkin (b-kvarkki) mittauksen tarkkuudesta, koska t-kvarkki hajoaa melkein pelkästään W-bosoniksi ja b-kvarkiksi. Hadronisaatioksi kutsutun ilmiön seurauksena emme pysty havaitsemaan kvarkkeja suoraan. Sen sijaan havaitsemme niiden synnyttämiä hiukkasryöppyjä, joita kutsutaan jeteiksi. B-kvarkista syntynyttä jettiä kutsutaan puolestaan b-jetiksi ja näiden tarkka mittaaminen on erityisen tärkeää t-kvarkin massan määrityksessä. Tässä työssä tutkimme b-jettien energiaskaalaa CMS-kokeessa, joka on yksi LHC:n yleisluontoisista kokeista. B-jetin energiaskaalaan vaikuttaa esimerkiksi neutriinoiden suuri osuus b-jeteissä sekä simulaatio-ohjelmien rajallinen tarkkuus, joilla protoni-protoni törmäyksiä mallinnetaan. Tutkimme erityisesti neljää eri mekanismia, jotka vaikuttavat b-jettien energiaskaalaan. Nämä mekanismit ovat b-hadronien semileptoninen hajoaminen, b-hadronien hajoaminen c-hadroneiksi, b-hadronien tuotanto-osuudet ja b-kvarkkien fragmentaatiofunktiot. Näiden neljän mekanismin yhteisvaikutus b-jettien energiaskaalan tarkkuuteen on noin 0.2%. Myös negatiivinen 0.1% suuruinen muutos havaitaan MPF-responssissa (Missing transverse energy Projection Fraction response) matalalla energia-alueella. Tämän työn tulokset parantavat huomattavasti 0.4-0.5% tarkkuutta, joka on aikaisemmin saavutettu b-jetin energiaskaalan mittauksissa CMS:llä LHC:n ensimmäisen käyttövaiheen aikana. Tämän työn käytetyissä metodeissa on kuitenkin vielä paljon jatkokehitystarvetta ja aihetta lisätutkimuksille ennen kuin esiteltyjä tuloksia voitaisiin käyttää hyödyksi t-kvarkin massan mittauksessa.LHC is the highest energy particle collider ever built and it is employed to study elementary particles by colliding protons together. One intriguing study subject at LHC is the stability of the electroweak vacuum in our universe. The current prediction suggests that the vacuum is in the metastable state. The stability of the vacuum is dependent on the mass of the top quark, and it is possible that more precise measurement of the mass could shift the prediction to the border of the metastable and stable states. In order to measure the mass of the top quark more precisely, we need to measure the bottom (b) quarks decaying from it at high precision, as top quark decays predominantly into a W boson and a b quark. Due to the phenomenon called hadronisation, we can not measure the quarks directly, but rather as sprays of collimated particles called jets. The jets originating from b quarks (b jet) can be identified by b-tagging. The precise measurement and calibration of the b jet energy is crucial for top quark mass measurement. This thesis studies the b jets and their energy calibration at the CMS, which is one of the general purpose detectors along the LHC. Especially the b jet energy scale (bJES) is under the investigation and the various phenomena affecting to it. For example, large fraction of b jets contain neutrinos, which cannot be measured directly. This increases uncertainties related to the energy measurement. Also there are problems how precisely the formation and evolution of the b jets can be modelled by Monte Carlo event generators, such as Pythia8, which was utilized in this thesis. The aim of this thesis is to evaluate how big effect on the bJES is caused by the various different phenomena, which presumably weaken the precision of the b jet measurements. The studied phenomena are the semileptonic branching ratios of b hadrons, branching ratios of b hadron to c hadron decays, b hadron production fraction and parameterization of the b quark fragmentation function. The combined effect of all four different rescaling features mentioned above, suggests that bJES is known at 0.2% level. A small shift of -0.1% in the Missing transverse energy Projection Fraction (MPF) response scale is detected at low pt values, which vanishes as the pt increases. This improves remarkably 0.4-0.5% JES accuracy achieved during at CMS during Run 1 of the LHC. However, there are still many ways we can improve the performance presented here. Definitely there is a need for further studies of the rescaling methods before results could be utilized in the corrections of bJES to do precision measurement of the top quark mass.
Subject: CERN
LHC
CMS
jet
energy scale


Files in this item

Total number of downloads: Loading...

Files Size Format View
pirttikoski_antti_gradu_2021.pdf 13.69Mb PDF View/Open

This item appears in the following Collection(s)

Show full item record