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Schieferdecker, Philipp (2005): Measurement of the Top Quark Mass at D0 Run II with the Matrix Element Method in the Lepton+Jets Final State. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

The mass of the top quark is a fundamental parameter of the Standard Model. Its precise knowledge yields valuable insights into unresolved phenomena in and beyond the Standard Model. A measurement of the top quark mass with the matrix element method in the lepton+jets final state in D0 Run II is presented. Events are selected requiring an isolated energetic charged lepton (electron or muon), significant missing transverse energy, and exactly four calorimeter jets. For each event, the probabilities to originate from the signal and background processes are calculated based on the measured kinematics, the object resolutions and the respective matrix elements. The jet energy scale is known to be the dominant source of systematic uncertainty. The reference scale for the mass measurement is derived from Monte Carlo events. The matrix element likelihood is defined as a function of both, mtop and jet energy scale JES, where the latter represents a scale factor with respect to the reference scale. The top mass is obtained from a two-dimensional correlated fit, and the likelihood yields both the statistical and jet energy scale uncertainty. Using a dataset of 320 pb-1 of D0 Run II data, the mass of the top quark is measured to be mtop (ljets) = 169.5 +/- 4.4(stat.+JES) +1.7-1.6(syst.) GeV mtop (ejets) = 168.8 +/- 6.0(stat.+JES) +1.9-1.9(syst.) GeV mtop (mujets)= 172.3 +/- 9.6(stat.+JES) +3.4-3.3(syst.) GeV The jet energy scale measurement in the lepton+jets sample yields JES=1.034 +/- 0.034, suggesting good consistency of the data with the simulation. The measurement forecasts significant improvements to the total top mass uncertainty during Run II before the startup of the LHC, as the data sample will grow by a factor of ten and D0's tracking capabilities will be employed in jet energy reconstruction and flavor identification.

Abstract

Die Masse des Top-Quarks ist ein fundamentaler Parameter des Standard-Modells. Ihre genaue Kenntnis liefert wertvolle Aufschlüsse bezüglich unverstandener Phänomene im Standard-Model und darüber hinaus. Die Messung der Top-Quark-Masse mit der Matrixelement-Methode im Lepton+Jets Zerfallskanal in Run II des D0 Experiments wird präsentiert. Ereignisse werden selektiert, wenn sie ein isoliertes Lepton (Elektron oder Myon), signifikante fehlende transversale Energie und genau vier Kalorimeter-Jets aufweisen. Für jedes Ereignis werden die Wahrscheinlichkeiten berechnet, dass das Ereignis durch den Signal- bzw. Untergrund-Prozess produziert worden ist, basierend auf der gemessenen Kinematik, den Auflösungen der rekonstrierten Objekte und der prozess-spezifischen Matrixelemente. Die Kenntnis der Jet Energie Skala ist die dominierende Quelle systematischer Unsicherheit dieser Messung. Die Referenz-Skala wird in Monte Carlo Ereignissen bestimmt. Die Matrixelement-Likelihood wird definiert als Funktion beider Variablen, mtop und JES, wobei letzterer einen Skalierungs-Faktor bezüglich der Referenzskala beschreibt. Die Topmasse wird mittels eines zweidimensionalen korrelierten Fits bestimmt, wobei der Likelihood sowohl den statistischen Fehler als auch den Fehler durch Jet Energie Skala liefert. Die Methode wird auf einen D0 Run II Datensatz angewandt, der einer integrierten Luminosität von 320 pb-1 entspricht, und die Messung ergibt mtop (ljets) = 169.5 +/- 4.4(stat.+JES) +1.7-1.6(syst.) GeV mtop (ejets) = 168.8 +/- 6.0(stat.+JES) +1.9-1.9(syst.) GeV mtop (mujets)= 172.3 +/- 9.6(stat.+JES) +3.4-3.3(syst.) GeV Die Messung der Jet Energie Skala im lepton+jets Datensatz ergibt JES=1.034 +/- 0.034, was auf gute Übereinstimmung der Daten mit der Simulation hinweist. Die vorliegende Messung verspricht signifikante Verbesserungen des Gesamtfehlers der Topmasse in Run II noch vor dem Start des LHC, wenn der Datensatz sich verzehnfachen und D0's Spurvermessung in die Rekonstruktion von Jet Energien und die Identifikation von b-Jets einbezogen werden.