Jet Energy Scale Corrections and their Impact on Measurements of Top-Quark Mass at CMS

Author: 
Henning Kirschenmann
Date: 
Nov 2014

Thesis Type:

Der Endzustand vieler physikalischer Prozesse am "Large Hadron Collider" (LHC) ist dominiert von Jets, der experimentellen Signatur von Quarks und Gluonen. Die genaue Messung ihrer Energie ist eine Grundvoraussetzung für das Verständnis solcher Prozesse. In
dieser Arbeit wird die Bestimmung von Jetenergiekorrekturen bei CMS in Zweijetereignissen erläutert sowie die Untersuchung einer weiteren Korrektur beschrieben, die auf die Verbesserung der Rekonstruktion von b-Jets bei Messungen der Topquarkmasse zugeschnitten ist.
Zweijetereignisse werden untersucht, um die Jetenergieantwort relativ zum zentralen Detektorbereich als Funktion derPseudorapidität~ $eta$ in Daten und in der Simulation zu bestimmen. Zwei komplementäre Schätzer der Energieantwort werden eingeführt und detaillierte ergänzende Studien durchgeführt, so z.B. eine Analyse der zeitlichen Beständigkeit der Jetenergieantwort. Für die Datennahme im Jahr 2011 werden bei systematischen Unsicherheiten von unter 1\% MC/Daten-Unterschiede von weniger als 5\% im Bereich des Spurdetektors festgestellt.

Darüber hinaus wird eine Studie von b-Jeteigenschaften in Daten aus dem Jahr 2012 vorgestellt. Die Korrelation verschiedener solcher Eigenschaften mit der Jetenergieantwort wird ausgenutzt, um die Messung der b-Jetenergien zu verbessern. Eine Auflösungsverbesserung von etwa 10\% kann erreicht werden und die Auswertung systematischer Unsicherheiten auf die Energieskala von b-Jets (b-JES) weist auf eine Verbesserung von ungefähr 30\% hin. Diese zusätzliche Korrektur wird
im Rahmen einer bestehenden Messung der Topquarkmasse im Myon+Jets-Kanal angewandt. Sie führt zu einer Verbesserung der statistischen Genauigkeit um etwa 10\% und einer Verringerung der systematischen Unsicherheiten im Zusammenhang mit der b-JES von 0.6\,\GeV auf 0.3\,\GeV.

The final state of many physics processes at the Large Hadron Collider (LHC) is dominated by jets, the experimental signature of quarks and gluons. The precise measurement of jets is a prerequisite to understand these processes. In this thesis, the determination of jet-energy corrections at CMS using dijet events is described, and the investigation of a correction specifically tailored to improve the reconstruction of b-jets in top-quark mass measurements is presented.

Dijet events are used to determine the response relative to the central detector region in data and simulation as a function of the
pseudorapidity~$\eta$. Two complementary response estimators are introduced and detailed supplementary studies, e.g. of the time stability of the response, are performed. For the 2011 data-taking period, the MC/Data differences are found to be below 5\% in the tracker-covered detector region with systematic uncertainties of less than $1\%$.

Furthermore, a study of b-jet properties in 2012 data is presented. The correlation of various such observables with the response is exploited to improve the jet-energy measurement of b-jets. A resolution improvement of about $10\%$ can be achieved, and the evaluation of b-jet specific jet-energy scale uncertainties (b-JES) indicates improvements of about 30\%. This additional correction is applied to an existing measurement of the top-quark mass in the muon+jets channel. It leads to a statistical sensitivity improvement of about 10\% and a reduction of systematic uncertainties related to the b-JES from 0.6\,\GeV to 0.3\,\GeV.

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