Measurement of $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ normalised multi-differential cross sections in $${\text {p}}{\text {p}} $$ collisions at $$\sqrt{s}=13\,{\text {TeV}} $$, and simultaneous determination of the strong coupling strength, top quark pole mass, and parton distribution functions
A. M. Sirunyan, A. Tumasyan, W. Adam, F. Ambrogi, E. Asilar, T. Bergauer, J. Brandstetter, M. Dragicevic, J. Erö, A. Escalante Del Valle, M. Flechl, R. Frühwirth, V. M. Ghete, J. Hrubec, M. Jeitler, N. Krammer, I. Krätschmer, D. Liko, T. Madlener, I. Mikulec, N. Rad, H. Rohringer, J. Schieck, R. Schöfbeck, M. Spanring, D. Spitzbart, W. Waltenberger, J. Wittmann, C.-E. Wulz, M. Zarucki, V. Chekhovsky, V. Mossolov, J. Suarez Gonzalez, E. A. De Wolf, D. Di Croce, X. Janssen, J. Lauwers, A. Lelek, M. Pieters, H. Van Haevermaet, P. Van Mechelen, N. Van Remortel, F. Blekman, J. D’Hondt, J. De Clercq, Kevin Deroover, G. Flouris, D. Lontkovskyi, S. Lowette, I. Marchesini, S. Moortgat, L. Moreels, Q. Python, K. Skovpen, S. Tavernier, W. Van Doninck, P. Van Mulders, I. Van Parijs, D. Beghin, B. Bilin, H. Brun, B. Clerbaux, G. De Lentdecker, H. Delannoy, B. Dorney, Giuseppe Fasanella, L. Favart, A. Grebenyuk, A. K. Kalsi, J. Luetic, A. Popov, N. Postiau, E. Starling, L. Thomas, C. Vander Velde, P. Vanlaer, D. Vannerom, Q. Wang, T. Cornelis, D. Dobur, A. Fagot, M. Gul, I. Khvastunov, C. Roskas, D. Trocino, M. Tytgat, W. Verbeke, B. Vermassen, M. Vit, N. Zaganidis, O. Bondu, G. Bruno, C. Caputo, P. David, C. Delaere, M. Delcourt, A. Giammanco, G. Krintiras, V. Lemaı̂tre, A. Magitteri
Abstract
Abstract Normalised multi-differential cross sections for top quark pair ( $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:math> ) production are measured in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 $$\,{\text {TeV}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace/><mml:mtext>TeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> using events containing two oppositely charged leptons. The analysed data were recorded with the CMS detector in 2016 and correspond to an integrated luminosity of $$35.9{\,{\text {fb}}^{-1}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>35.9</mml:mn><mml:mrow><mml:mspace/><mml:msup><mml:mrow><mml:mtext>fb</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow></mml:msup></mml:mrow></mml:mrow></mml:math> . The double-differential $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:math> cross section is measured as a function of the kinematic properties of the top quark and of the $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:math> system at parton level in the full phase space. A triple-differential measurement is performed as a function of the invariant mass and rapidity of the $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:math> system and the multiplicity of additional jets at particle level. The data are compared to predictions of Monte Carlo event generators that complement next-to-leading-order (NLO) quantum chromodynamics (QCD) calculations with parton showers. Together with a fixed-order NLO QCD calculation, the triple-differential measurement is used to extract values of the strong coupling strength $$\alpha _{S}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math> and the top quark pole mass ( $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> ) using several sets of parton distribution functions (PDFs). The measurement of $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> exploits the sensitivity of the $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:math> invariant mass distribution to $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> near the production threshold. Furthermore, a simultaneous fit of the PDFs, $$\alpha _{S}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math> , and $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> is performed at NLO, demonstrating that the new data have significant impact on the gluon PDF, and at the same time allow an accurate determination of $$\alpha _{S}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub></mml:math> and $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> . The values $$\alpha _{S}(m_{{\text {Z}}}) = 0.1135{}^{+0.0021}_{-0.0017}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msub><mml:mi>α</mml:mi><mml:mi>S</mml:mi></mml:msub><mml:mrow><mml:mo>(</mml:mo><mml:msub><mml:mi>m</mml:mi><mml:mtext>Z</mml:mtext></mml:msub><mml:mo>)</mml:mo></mml:mrow><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>0.1135</mml:mn><mml:msubsup><mml:mrow/><mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo><mml:mn>0.0017</mml:mn></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>0.0021</mml:mn></mml:mrow></mml:msubsup></mml:mrow></mml:math> and $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}} = 170.5 \pm 0.8 \,{\text {GeV}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup><mml:mo>=</mml:mo><mml:mn>170.5</mml:mn><mml:mo>±</mml:mo><mml:mn>0.8</mml:mn><mml:mspace/><mml:mtext>GeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> are extracted, which account for experimental and theoretical uncertainties, the latter being estimated from NLO scale variations. Possible effects from Coulomb and soft-gluon resummation near the $$\hbox {t}{\bar{\hbox {t}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext><mml:mover><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mrow><mml:mo>¯</mml:mo></mml:mrow></mml:mover></mml:mrow></mml:math> production threshold are neglected in these parameter extractions. A rough estimate of these effects indicates an expected correction of $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> of the order of $$+1 \,{\text {GeV}} $$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo><mml:mn>1</mml:mn><mml:mspace/><mml:mtext>GeV</mml:mtext></mml:mrow></mml:math> , which can be regarded as additional theoretical uncertainty in the current $$m_{{\text {t}}}^{{\text {pole}}}$$ <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi><mml:mrow><mml:mtext>t</mml:mtext></mml:mrow><mml:mtext>pole</mml:mtext></mml:msubsup></mml:math> extraction.