Calibration of the jet energy scale and resolution of small-radius jets using semileptonic $t\bar{t}$ events with the ATLAS detector

In het hart van de Large Hadron Collider, een machine die gebouwd is om protonen met bijna de snelheid van het licht tegen elkaar te laten botsen, voert de natuur een chaotische dans van creatie uit. Wanneer deze minuscule deeltjes botsen, uiteen met een spray van nieuwe materie, maar de fundamentele bouwstenen van deze nieuwe materie — quarks en gluonen — kunnen niet alleen bestaan. Ze zijn gebonden door een kracht die zo sterk is dat ze onmiddellijk samenklonteren, waardoor strakke, gefocuste stromen deeltjes ontstaan die jets worden genoemd. Deze jets zijn de primaire handtekeningen waar wetenschappers naar zoeken wanneer ze op zoek zijn naar nieuwe fysica of de zwaarste bekende deeltjes bestuderen, zoals het topquark. Om te begrijpen wat er tijdens een botsing is gebeurd, moeten onderzoekers de energie van deze jets met extreme precisie meten. Als de meting zelfs maar een klein beetje afwijkt, kan het hele beeld van de gebeurtenis vervagen, waardoor het onmogelijk wordt om onderscheid te maken tussen een bekend proces en een ontdekking.

Het ATLAS-experiment, een van de enorme detectoren rondom het botsingspunt, is ontworpen om deze jets op te vangen en hun energie te meten. De detector is echter een complex apparaat bestaande uit lagen sensoren en materialen, en het reageert niet perfect op elk deeltje dat het raakt. Soms absorbeert het iets te veel energie, soms te weinig. Om dit te corrigeren, moeten natuurkundigen een reeks correcties toepassen op de ruwe gegevens, wat in feite het instrument kalibreren is, zodat de energie die ze aflezen overeenkomt met de werkelijke energie van de deeltjes. Dit proces staat bekend als het kalibreren van de jet-energie-schaal (jet energy scale). Hoewel wetenschappers standaardmethoden hebben ontwikkeld om dit te doen met veelvoorkomende botsingsgebeurtenissen, zijn ze altijd op zoek naar nieuwe, onafhankelijke manieren om hun werk te controleren, vooral naarmate de machine op hogere energieën draait en complexere gegevens produceert.

In een recente studie heeft de ATLAS-collaboratie zich tot een specifiek en zeldzaam type gebeurtenis gericht om deze metingen te verfijnen: het verval van topquarks. Het topquark is het zwaarste bekende elementaire deeltje en vervalt vrijwel onmiddellijk in andere deeltjes, waaronder een W-boson. In ongeveer twee derde van deze gevallen valt het W-boson uiteen in twee jets van deeltjes. Omdat de massa van het W-boson een bekende, vaste waarde is, zou de energie van de twee jets die eruit voortkomen precies bij die massa opgeteld moeten zijn. Dit creëert een natuurlijke "liniaal" binnen de gegevens. Als de gemeten massa van het W-boson te hoog of te laag is, vertelt dit de wetenschappers dat hun energiekalibratie voor de jets er net naast zit. Door miljoenen van deze topquark-gebeurtenissen te analyseren die verzameld zijn tussen 2015 en 2023, gebruikte het team het W-boson als een nauwkeurig referentiepunt om hun metingen af te stemmen.

De onderzoekers richtten zich op een specifieke subset van deze gebeurtenissen waarbij één topquark vervalt in een geladen deeltje zoals een elektron of een muon, terwijl de andere vervalt in jets. Deze "semileptonische" handtekening maakt de gebeurtenissen gemakkelijker te vinden en te isoleren van achtergrondruis. Ze selecteerden jets die bewogen met een impuls tussen 20 en 200 GeV en die zich in het centrale deel van de detector bevonden. Met behulp van een geavanceerde statistische techniek vergeleken ze de distributie van de gereconstrueerde W-bosonmassa in hun gegevens met een uitgebreide bibliotheek van computersimulaties. Deze simulaties stelden hen in staat om verschillende aannames te testen over hoe de detector reageert op energie, waarbij ze de gegevens effectief door verschillende correctiefactoren vouwden om te zien welke de simulatie het beste met de echte wereld liet overeenstemmen.

De resultaten leverden een nieuwe, onafhankelijke set correctiefactoren voor de jet-energie-schaal en resolutie. De studie vond dat voor de gegevens verzameld in 2015 tot en met 2018, de simulatie met ongeveer 2 procent naar beneden moest worden bijgesteld om overeen te komen met de observaties, wat suggereerde dat de computermodellen de energie iets overschatten. In contrast hiermee kwamen de gegevens uit 2022 en 2023, verzameld na upgrades van de detector, veel nauwer overeen met de simulaties, waarbij de benodigde correcties bijna nul waren. De onzekerheid in deze nieuwe metingen is indrukwekkend klein, variërend van minder dan 1 procent tot ongeveer 1,7 procent voor de energieschaal, en tussen de 14 en 28 procent voor de energieresolutie. Deze onzekerheden zijn vergelijkbaar met, en in sommige gevallen beter dan, de standaardtechnieken die momenteel door het experiment worden gebruikt.

Cruciaal is dat deze methode steunt op een andere set fysische processen dan de standaard kalibratietechnieken. Terwijl traditionele methoden vaak jets gebruiken die geproduceerd worden door gluonen, komen de jets in deze studie van quarks, specif