Measurement of jet activity in top quark events using the e\mu final state with two b-tagged jets in $\mathit{pp}$ collisions at $\sqrt{s}=8$ TeV with the ATLAS detector

P u b l i s h e d f o r S IS S A b y S p r i n g e r R e c e i v e d: July 1, 2016 R e v i s e d: A ugust 25, 2016 A c c e p t e d: A ugust 28, 2016 P u b l i s h e d: Septem ber 13, 2016

Measurement of jet activity in top quark events using the eμ final state with two b -tagged jets in pp

collisions at ^{√ s} = 8 TeV with the ATLAS detector

T h e A T L A S collaboration

E - m a i l : a t l a s . p u b l i c a t i o n s @ c e r n . c h

A b s t r a c t : M e a s u r e m e n t s o f t h e j e t a c t i v i t y in t t e v e n ts p r o d u c e d in p r o t o n - p r o t o n c o l­

lis io n s a t √ s = 8 T e V a r e p r e s e n t e d , u s in g 2 0 .3 f b - 1 o f d a t a c o l le c te d b y t h e A T L A S e x p e r i m e n t a t t h e L a r g e H a d r o n C o l lid e r . T h e e v e n ts w e r e s e le c te d in t h e d i l e p t o n e μ d e c a y c h a n n e l w i t h tw o id e n tif ie d 6 - je ts . T h e n u m b e r s o f a d d i t i o n a l j e t s f o r v a r io u s j e t t r a n s v e r s e m o m e n t u m ( p T ) t h r e s h o l d s , a n d t h e n o r m a l i s e d d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c ti o n s a s a f u n c t i o n o f p T f o r t h e fiv e h i g h e s t - p T a d d i t i o n a l j e t s , w e r e m e a s u r e d in t h e j e t p s e u d o ­ r a p i d i t y r a n g e |n | < 4 .5 . T h e g a p f r a c t i o n , t h e f r a c t i o n o f e v e n t s w h ic h d o n o t c o n t a i n a n a d d i t i o n a l j e t in a c e n t r a l r a p i d i t y r e g io n , w a s m e a s u r e d f o r s e v e r a l r a p i d i t y in t e r v a l s a s a f u n c t i o n o f t h e m i n i m u m p t o f a s in g le j e t o r t h e s c a l a r s u m o f p t o f a ll a d d i t i o n a l j e t s . T h e s e f r a c t i o n s w e r e a ls o m e a s u r e d in d if f e r e n t i n t e r v a l s o f t h e i n v a r i a n t m a s s o f t h e e μ bb s y s t e m . A ll m e a s u r e m e n t s w e r e c o r r e c t e d f o r d e t e c t o r e f f e c ts , a n d f o u n d t o b e m o s t l y w e ll - d e s c r ib e d b y p r e d i c t i o n s f r o m n e x t - t o - l e a d i n g - o r d e r a n d l e a d i n g - o r d e r ttt e v e n t g e n e r ­ a t o r s w i t h a p p r o p r i a t e p a r a m e t e r c h o ic e s . T h e r e s u l t s c a n b e u s e d t o f u r t h e r o p t i m i s e t h e p a r a m e t e r s u s e d in s u c h g e n e r a t o r s .

Ke y w o r d s: H a d r o n - H a d r o n s c a t t e r i n g ( e x p e r i m e n t s )

ArXi y ePr i n t: 1 6 0 6 .0 9 4 9 0

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

Contents

1 I n t r o d u c t i o n 1

2 D e t e c t o r a n d d a t a s a m p l e 3

3 S i m u l a t e d e v e n t s a m p l e s 4

4 O b j e c t a n d e v e n t s e l e c t i o n 6

4 .1 P a r t i c l e - l e v e l s e le c tio n 10

4 .2 J e t m a t c h i n g 11

5 E v a l u a t i o n o f s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t i e s 1 1

6 M e a s u r e m e n t o f j e t m u l t i p l i c i t i e s a n d p x s p e c t r a 1 4

6 .1 C o r r e c t i o n t o p a r t i c l e le v e l 14

6 .2 D e t e r m i n a t i o n o f s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t i e s 16

6 .3 J e t m u l t i p l i c i t y a n d p T s p e c t r a r e s u l t s 17

7 G a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s 2 4

7 .1 G a p f r a c t i o n r e s u l t s in r a p i d i t y r e g io n s 25

7 .2 G a p f r a c t i o n r e s u l t s in e p b b m a s s r e g io n s 29

8 C o n c l u s i o n s 3 9

T h e A T L A S c o l l a b o r a t i o n 4 5

1 In tr o d u c tio n

T h e t o p q u a r k p la y s a s p e c ia l r o le in t h e S t a n d a r d M o d e l a n d in s o m e t h e o r i e s o f p h y s ic s b e y o n d t h e S t a n d a r d M o d e l. T h e la r g e t o p q u a r k m a s s a n d la r g e t t p a i r - p r o d u c t i o n c r o s s ­ s e c t i o n in p p c o llis io n s (2 4 2 ± 10 p b a t √ s = 8 T e V [1]) m a k e t o p q u a r k p r o d u c t i o n a t t h e L a r g e H a d r o n C o l lid e r ( L H C ) a u n i q u e l a b o r a t o r y f o r s t u d y i n g t h e b e h a v i o u r o f Q C D a t t h e h i g h e s t a c c e s s ib le e n e r g y s c a le s . T h e d e c a y s o f t o p q u a r k s t o c h a r g e d le p t o n s , n e u t r i n o s a n d b - q u a r k s a ls o m a k e s u c h e v e n t s a p r i m a r y s o u r c e o f b a c k g r o u n d in m a n y s e a r c h e s f o r n e w p h y s ic s . T h e r e f o r e , t h e d e v e l o p m e n t o f a c c u r a t e m o d e l l i n g f o r e v e n t s in v o lv i n g t o p q u a r k p r o d u c t i o n f o r m s a n i m p o r t a n t p a r t o f t h e L H C p h y s ic s p r o g r a m m e . M e a s u r e m e n t s o f t h e a c t i v i t y o f a d d i t i o n a l j e t s in t t e v e n ts , i.e . j e t s n o t o r i g i n a t i n g f r o m t h e d e c a y o f t h e t o p q u a r k a n d a n t i q u a r k , b u t a r i s i n g f r o m q u a r k a n d g lu o n r a d i a t i o n p r o d u c e d in a s s o c i a t i o n w i t h t h e t t s y s t e m , h a v e b e e n m a d e b y A T L A S [2 , 3 ] a n d C M S [4] u s i n g p p d a t a a t

√ s = 7 T e V , a n d b y C M S [5 ] a t √ s = 8 T e V . T h e s e d a t a a r e t y p i c a l l y p r e s e n t e d a s p a r t i c l e - le v e l r e s u l t s in w e ll-d e f in e d f id u c i a l r e g io n s , c o r r e c t e d t o r e m o v e d e t e c t o r e f fic ie n c y a n d

-

-

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

r e s o l u t i o n e f f e c ts , a n d c o m p a r e d t o t h e p r e d i c t i o n s o f M o n t e C a r l o ( M C ) g e n e r a t o r s t h r o u g h t o o l s s u c h a s t h e Ri v e t f r a m e w o r k [6 ] . S u c h c o m p a r i s o n s i n d i c a t e t h a t s o m e s t a t e - o f - t h e - a r t g e n e r a t o r s h a v e d if f i c u lt ie s in r e p r o d u c i n g t h e d a t a , w h i l s t f o r o t h e r s a g r e e m e n t w i t h d a t a c a n b e im p r o v e d w i t h a n a p p r o p r i a t e c h o ic e o f g e n e r a t o r p a r a m e t e r v a l u e s o r ‘t u n e ’, i n c l u d i n g t h o s e c o n t r o l l i n g Q C D f a c t o r i s a t i o n a n d r e n o r m a l i s a t i o n s c a le s , a n d m a t c h i n g t o t h e p a r t o n s h o w e r [7- 1 1 ] .

T h i s p a p e r p r e s e n t s tw o s t u d i e s o f t h e a d d i t i o n a l j e t a c t i v i t y in ttt e v e n t s c o l le c te d w i t h t h e A T L A S d e t e c t o r in p p c o llis io n s a t a c e n t r e - o f - m a s s e n e r g y o f y f s = 8 T e V . T o p q u a r k p a i r s a r e s e le c te d in t h e s a m e w a y in b o t h m e a s u r e m e n t s , u s i n g t h e d i l e p t o n e ß f in a l s t a t e w i t h tw o j e t s i d e n tif ie d ( ‘t a g g e d ’) a s lik e ly t o c o n t a i n b - h a d r o n s . D i s t r i b u t i o n s o f t h e p r o p e r t i e s o f a d d i t i o n a l j e t s in t h e s e e v e n t s a r e n o r m a l i s e d t o t h e c r o s s - s e c t i o n ( o eßbb) fo r e v e n t s p a s s i n g t h i s i n i t i a l s e le c tio n , r e q u i r i n g t h e e l e c t r o n , m u o n a n d tw o b- t a g g e d j e t s t o h a v e t r a n s v e r s e m o m e n t u m p T > 2 5 G e V a n d p s e u d o r a p i d i t y 1 |n | < 2 .5 .

I n t h e f ir s t s t u d y , t h e n o r m a l i s e d p a r t i c l e - l e v e l c r o s s - s e c ti o n s f o r a d d i t i o n a l j e t s w i t h

|n | < 4 .5 a n d p T > 25 G e V a r e m e a s u r e d d i f f e r e n t i a l l y in j e t r a n k a n d p T ;

1 d ° i _ ( 1 1 )

° d p T ° e ß bb d p T ’ .

w i t h r a n k i = 1 t o 5, w h e r e i = 1 d e n o t e s t h e le a d i n g ( h i g h e s t p T ) a d d i t i o n a l j e t . T h e s e n o r m a l i s e d d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c ti o n s a r e t h e n u s e d t o o b t a i n t h e m u l t i p l i c i t y d i s t r i b u t i o n s f o r a d d i t i o n a l j e t s a s a f u n c t i o n o f t h e m i n i m u m p t t h r e s h o l d f o r s u c h e x t r a j e t s .

T h e a d d i t i o n a l - j e t d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c ti o n m e a s u r e m e n t s a r e c o m p l e m e n t e d b y a s e c ­ o n d s t u d y m e a s u r i n g t h e j e t ‘g a p f r a c t i o n ’, i.e . t h e f r a c t i o n o f e v e n ts w h e r e n o a d d i t i o n a l j e t is p r e s e n t w i t h i n a p a r t i c u l a r i n t e r v a l o f j e t r a p i d i t y , d e n o t e d b y A y . T h e g a p f r a c t i o n

is m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f t h e j e t p T t h r e s h o l d , Q 0 ;

f ( Q 0 ) _ , (1 .2 )

a eybb

s t a r t i n g f r o m a m i n i m u m Q 0 o f 2 5 G e V , w h e r e o ( Q 0 ) is t h e c r o s s - s e c t i o n f o r e v e n t s h a v i n g n o a d d i t i o n a l j e t s w i t h p T > Q 0 , w i t h i n t h e r a p i d i t y i n t e r v a l A y . F o llo w in g t h e c o r r e ­ s p o n d i n g m e a s u r e m e n t a t y f s = 7 T e V [2 ], f o u r r a p i d i t y i n t e r v a l s A y a r e d e f in e d : |y | < 0 .8 , 0 .8 < |y | < 1 .5 , 1.5 < |y | < 2 .1 a n d t h e in c lu s iv e i n t e r v a l |y | < 2 .1 . T h e s e i n t e r v a l s a r e m o r e r e s t r i c t i v e t h a n f o r t h e n o r m a l i s e d a d d i t i o n a l j e t c r o s s - s e c ti o n s , w h ic h a r e m e a s u r e d o v e r t h e w i d e r a n g u l a r r a n g e |n | < 4 .5 c o r r e s p o n d i n g t o t h e f u ll a c c e p t a n c e o f t h e d e t e c t o r .

A s w e ll a s f ( Q 0), t h e g a p f r a c t i o n is m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f a t h r e s h o l d Q sum p la c e d o n t h e s c a l a r s u m o f t h e p T o f a ll a d d i t i o n a l j e t s w i t h p T > 2 5 G e V w i t h i n t h e s a m e r a p i d i t y

"ATLAS uses a right-handed coordinate system w ith its origin a t th e nom inal in teractio n p o int in th e centre of th e d etector, and th e z axis along th e beam line. P seudorapidity is defined in term s of th e polar angle 6 as n = — In ta n 0 /2 , and transverse m om entum and energy are defined relative to th e beam line as p T = p sin 6 and E T = E sin 6. T he azim uthal angle around th e beam line is denoted by 0, and distances in (n, 0) space by A fi = / (A n )2 + (A 0 )2. T h e rap id ity is defined as y = 2 ln ^ , w here p z is th e z-com ponent of th e m om entum and E is th e energy of th e relevant object.

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

i n t e r v a l s A y :

f (Q su m ) S . (1 .3 )

^eßbb

T h e g a p f r a c t i o n m e a s u r e d a s a f u n c t i o n o f Q 0 is s e n s i t i v e t o t h e l e a d i n g p T e m is s io n a c c o m ­ p a n y i n g t h e t t s y s t e m , w h e r e a s t h e g a p f r a c t i o n b a s e d o n Q sum is s e n s i t i v e t o a ll a c c o m p a ­ n y in g h a r d e m is s io n s . F in a ll y , t h e g a p f r a c t i o n s f ( Q 0 ) a n d f ( Q sum ) in t h e in c lu s iv e r a p i d i t y r e g io n |y | < 2 .1 a r e a ls o m e a s u r e d s e p a r a t e l y f o r f o u r s u b s e t s o f t h e i n v a r i a n t m a s s o f t h e e ß b b s y s t e m m eßbb, w h ic h is r e l a t e d t o t h e i n v a r i a n t m a s s o f t h e p r o d u c e d t t s y s t e m a n d is o n a v e r a g e h i g h e r if p r o d u c e d f r o m q u a r k - a n t i q u a r k r a t h e r t h a n g l u o n - g l u o n i n i t i a l s t a t e s .

T h i s p a p e r is o r g a n i s e d a s fo llo w s . S e c t io n 2 d e s c r i b e s t h e A T L A S d e t e c t o r a n d t h e d a t a s a m p l e u s e d f o r t h e s e m e a s u r e m e n t s . S e c t io n 3 p r o v id e s i n f o r m a t i o n a b o u t t h e M o n t e C a r l o s i m u l a t e d s a m p l e s u s e d t o m o d e l s ig n a l a n d b a c k g r o u n d p r o c e s s e s , a n d t o c o m p a r e w i t h t h e m e a s u r e d r e s u l t s . T h e c o m m o n o b j e c t a n d e v e n t s e le c tio n c r i t e r i a a r e p r e s e n t e d in s e c t i o n 4 , a n d s o u r c e s o f s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t y a r e d is c u s s e d in s e c t i o n 5 . T h e m e a ­ s u r e m e n t o f t h e n o r m a l i s e d j e t d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c ti o n s b y r a n k a n d p T is d e s c r i b e d in s e c t i o n 6 a n d t h e m e a s u r e m e n t o f t h e g a p f r a c t i o n is p r e s e n t e d in s e c t i o n 7 , in b o t h c a s e s i n c l u d i n g c o m p a r i s o n s w i t h t h e p r e d i c t i o n s o f v a r io u s t t e v e n t g e n e r a t o r s . S e c t io n 8 g iv e s a s u m m a r y a n d c o n c lu s i o n s .

2 D e te c to r a n d d a ta sa m p le

T h e A T L A S d e t e c t o r [1 2 ] a t t h e L H C c o v e r s a l m o s t t h e f u ll s o lid a n g l e a r o u n d t h e c o lli­

s io n p o i n t , a n d c o n s i s t s o f a n i n n e r t r a c k i n g d e t e c t o r s u r r o u n d e d b y a t h i n s u p e r c o n d u c t ­ in g s o le n o id m a g n e t p r o d u c i n g a 2 T a x i a l m a g n e t i c fie ld , e l e c t r o m a g n e t i c a n d h a d r o n i c c a l o r i m e t e r s , a n d a n e x t e r n a l m u o n s p e c t r o m e t e r i n c o r p o r a t i n g t h r e e la r g e t o r o i d a l m a g ­ n e t s y s t e m s . T h e i n n e r d e t e c t o r c o n s i s t s o f a h i g h - g r a n u l a r i t y s ilic o n p ix e l d e t e c t o r a n d a s ilic o n m i c r o s t r i p t r a c k e r , t o g e t h e r p r o v i d i n g p r e c is io n t r a c k i n g in t h e p s e u d o r a p i d ­ i t y r a n g e |n | < 2 .5 , c o m p l e m e n t e d b y a t r a n s i t i o n r a d i a t i o n t r a c k e r p r o v i d i n g t r a c k i n g a n d e l e c t r o n i d e n t i f i c a t i o n i n f o r m a t i o n f o r |y | < 2 .0 . A l e a d / l i q u i d - a r g o n ( L A r ) e le c ­ t r o m a g n e t i c c a l o r i m e t e r c o v e r s t h e r e g io n |y | < 3 .2 , a n d h a d r o n i c c a l o r i m e t r y is p r o ­ v i d e d b y s t e e l / s c i n t i l l a t o r t i l e c a l o r i m e t e r s f o r |y | < 1 .7 a n d c o p p e r / L A r h a d r o n i c e n d ­ c a p c a l o r i m e t e r s c o v e r in g 1 .5 < |n | < 3 .2 . T h e c a l o r i m e t e r s y s t e m is c o m p l e t e d b y f o r ­ w a r d L A r c a l o r i m e t e r s w i t h c o p p e r a n d t u n g s t e n a b s o r b e r s w h ic h e x t e n d t h e c o v e r a g e t o

|n | = 4 .9 . T h e m u o n s p e c t r o m e t e r c o n s i s t s o f p r e c is io n t r a c k i n g c h a m b e r s c o v e r in g t h e r e g io n |y | < 2 .7 , a n d s e p a r a t e t r i g g e r c h a m b e r s c o v e r in g |y | < 2 .4 . A t h r e e - l e v e l t r i g g e r s y s t e m , u s in g c u s t o m h a r d w a r e fo llo w e d b y tw o s o f t w a r e - b a s e d le v e ls , is u s e d t o r e d u c e t h e e v e n t r a t e t o a b o u t 4 0 0 H z f o r o fflin e s t o r a g e .

T h e a n a l y s e s w e r e p e r f o r m e d o n t h e 2 0 1 2 A T L A S p r o t o n - p r o t o n c o llis io n d a t a s a m p le , c o r r e s p o n d i n g t o a n i n t e g r a t e d l u m i n o s i t y o f 2 0 .3 f b - 1 a t y f s = 8 T e V a f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f d e t e c t o r s t a t u s a n d d a t a q u a l i t y r e q u i r e m e n t s . T h e i n t e g r a t e d l u m i n o s i t y w a s m e a s u r e d u s i n g t h e m e t h o d o l o g y d e s c r i b e d in re f. [1 3 ] a p p l i e d t o b e a m s e p a r a t i o n s c a n s p e r f o r m e d in N o v e m b e r 2 0 1 2 , a n d h a s a r e l a t i v e u n c e r t a i n t y o f 2 .8 % . E v e n t s w e r e r e q u i r e d t o p a s s e i t h e r a s i n g l e - e l e c t r o n o r s i n g l e - m u o n t r i g g e r , w i t h t h r e s h o l d s c h o s e n s u c h t h a t t h e e ff ic ie n c y

-

-

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

p l a t e a u is r e a c h e d f o r l e p t o n s w i t h p T > 25 G e V p a s s i n g o fflin e s e le c tio n s . E a c h t r i g g e r e d e v e n t a ls o i n c lu d e s t h e s ig n a ls f r o m a n a v e r a g e o f 2 0 a d d i t i o n a l i n e l a s t i c p p c o llis io n s in t h e s a m e b u n c h c r o s s i n g ( r e f e r r e d t o a s p ile - u p ) .

3 S im u la te d e v e n t sa m p les

M o n t e C a r l o s i m u l a t e d e v e n t s a m p l e s w e r e u s e d t o e v a l u a t e s ig n a l e f fic ie n c ie s a n d b a c k ­ g r o u n d s , a n d t o e s t i m a t e a n d c o r r e c t f o r r e s o l u t i o n e f fe c ts . T h e s a m p l e s w e r e p r o c e s s e d e i t h e r t h r o u g h t h e f u ll A T L A S d e t e c t o r s i m u l a t i o n [1 4 ] b a s e d o n G E A N T 4 [1 5 ] , o r t h r o u g h a f a s t e r s i m u l a t i o n m a k i n g u s e o f p a r a m e t e r i s e d s h o w e r s in t h e c a l o r i m e t e r s [16 ] . A d d i t i o n a l s i m u l a t e d i n e l a s t i c p p c o llis io n s , g e n e r a t e d w i t h P y t h i a 8 . 1 [1 7 ] u s in g t h e M S T W 2 0 0 8 L O [1 8 ] p a r t o n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s ( P D F s ) a n d t h e A 2 t u n e [1 9 ] , w e r e o v e r la id t o s im ­ u l a t e t h e e f f e c ts o f b o t h in - a n d o u t - o f - t i m e p ile - u p , f r o m a d d i t i o n a l a c t i v i t y in t h e s a m e a n d n e a r b y b u n c h c r o s s i n g s . T h e r e s u l t i n g s i m u l a t e d e v e n t s w e r e p r o c e s s e d u s in g t h e s a m e r e c o n s t r u c t i o n a l g o r i t h m s a n d a n a l y s i s c h a in s a s t h e d a t a . T h e e ff e c ts o f p i l e - u p w e r e a ls o s t u d i e d w i t h d a t a r e c o r d e d f r o m r a n d o m l y s e le c te d b u n c h c r o s s i n g s ( z e r o - b ia s d a t a ) a s d is c u s s e d in s e c t i o n 5 .

T h e b a s e l i n e t t f u ll s i m u l a t i o n s a m p l e w a s p r o d u c e d u s i n g t h e n e x t - t o - l e a d i n g - o r d e r ( N L O ) Q C D m a t r i x - e l e m e n t g e n e r a t o r P o w h e g - B o x v 1 .0 [2 0 - 2 2 ] u s i n g t h e C T 1 0 P D F s [2 3 ] a n d i n t e r f a c e d t o P y t h i a 6 ( v e r s io n 6 .4 2 6 ) [2 4 ] w i t h t h e C T E Q 6 L 1 P D F s e t [2 5 ] a n d t h e P e r u g i a 2 0 1 1 C ( P 2 0 1 1 C ) t u n e [2 6 ] f o r t h e p a r t o n s h o w e r , f r a g m e n t a t i o n a n d u n ­ d e r l y i n g e v e n t m o d e llin g . T h e r e n o r m a l i s a t i o n a n d f a c t o r i s a t i o n s c a le s w e r e s e t t o t h e g e n e r a t o r d e f a u l t v a l u e o f m 2 + p T , t h e s u m in q u a d r a t u r e o f t h e t o p q u a r k m a s s m t a n d t r a n s v e r s e m o m e n t u m p t , t h e l a t t e r e v a l u a t e d f o r t h e u n d e r l y i n g B o r n c o n f i g u r a t i o n b e f o r e r a d i a t i o n . T h e P o w h e g p a r a m e t e r h dam p, u s e d in t h e d a m p i n g f u n c t i o n t h a t l im its t h e r e s u m m a t i o n o f h i g h e r - o r d e r e f f e c ts i n c o r p o r a t e d i n t o t h e S u d a k o v f o r m f a c t o r , w a s s e t t o in f in ity , c o r r e s p o n d i n g t o n o d a m p i n g . T h e t o p q u a r k m a s s w a s s e t t o 1 7 2 .5 G e V . T h e t o t a l ttt p r o d u c t i o n c r o s s - s e c ti o n , u s e d w h e n c o m p a r i n g p r e d i c t i o n s f r o m s i m u l a t i o n w i t h d a t a , w a s t a k e n t o b e 2 5 3 + 1 5 p b , b a s e d o n t h e n e x t - t o - n e x t - t o - l e a d i n g - o r d e r ( N N L O ) c a l c u l a t i o n i n c l u d i n g t h e r e s u m m a t i o n o f n e x t - t o - n e x t - t o - l e a d i n g l o g a r i t h m i c s o f t g lu o n t e r m s a s d e s c r i b e d in re fs . [2 7 - 3 1 ] a n d i m p l e m e n t e d in t h e T o p + + 2 .0 p r o g r a m [3 2 ] . T h e q u o t e d u n c e r t a i n t i e s i n c l u d e P D F a n d a s u n c e r t a i n t i e s b a s e d o n t h e P D F 4 L H C p r e s c r i p ­ t i o n [3 3 ] a p p l i e d t o t h e M S T W 2 0 0 8 N N L O [1 8 , 3 4 ] , C T 1 0 N N L O [2 3 , 3 5 ] a n d N N P D F 2 . 3 5 f F F N [3 6 ] P D F s e ts , a d d e d in q u a d r a t u r e t o t h e Q C D s c a le u n c e r t a i n t y .

A l t e r n a t i v e ttt s i m u l a t i o n s a m p l e s w e r e u s e d t o e v a l u a t e s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t i e s , a n d w e r e c o m p a r e d w i t h t h e d a t a m e a s u r e m e n t s a f t e r u n f o ld in g f o r d e t e c t o r e f f e c ts . S a m p le s w e r e p r o d u c e d w i t h P o w h e g w i t h h damp = œ i n t e r f a c e d t o H e r w i g ( v e r s io n 6 .5 2 0 ) [3 7 , 3 8 ] w i t h t h e A T L A S A U E T 2 t u n e [3 9 ] a n d J i m m y ( v e r s io n 4 .3 1 ) [4 0 ] f o r u n d e r l y i n g - e v e n t m o d e llin g . S a m p le s w i t h h damp = m t , w h ic h s o f te n s t h e r t p T s p e c t r u m , i m p r o v i n g t h e a g r e e m e n t b e t w e e n d a t a a n d s i m u l a t i o n a t y f s = 7 T e V [7] , w e r e g e n e r a t e d b y c o m b i n i n g P o w h e g w i t h e i t h e r P y t h i a 6 w i t h t h e P 2 0 1 1 C t u n e o r P y t h i a 8 ( v e r s io n 8 .1 8 6 ) w i t h t h e A 1 4 t u n e [4 1 ] . S a m p le s w e r e a ls o p r o d u c e d w i t h M C @ N L O ( v e r s io n 4 .0 1 ) [4 2 , 4 3 ] i n t e r ­ f a c e d t o H e r w i g a n d J i m m y , w i t h t h e g e n e r a t o r ’s d e f a u l t r e n o r m a l i s a t i o n a n d f a c t o r i s a t i o n

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

s c a le s o f y m | + (p T t + p T j ) / 2 w h e r e p T ,t a n d p T ,j a r e t h e t r a n s v e r s e m o m e n t a o f t h e t o p q u a r k a n d a n t i q u a r k . S e v e r a l l e a d i n g - o r d e r ‘m u l t i - l e g ’ g e n e r a t o r s w e r e a ls o s t u d i e d . T h e A l p g e n g e n e r a t o r ( v e r s io n 2 .1 3 ) [4 4 ] w a s u s e d w i t h l e a d i n g - o r d e r m a t r i x e l e m e n t s f o r tb p r o d u c t i o n a c c o m p a n i e d b y u p t o t h r e e a d d i t i o n a l l ig h t p a r t o n s , a n d d e d i c a t e d m a t r i x e l e m e n t s f o r t t p lu s bb o r c c p r o d u c t i o n , i n t e r f a c e d t o H e r w i g a n d J i m m y . A n a l t e r n a t i v e s a m p l e w a s g e n e r a t e d w i t h A l p g e n i n t e r f a c e d t o P y t h i a 6 w i t h t h e P 2 0 1 1 C t u n e , i n c l u d ­ in g u p t o f o u r a d d i t i o n a l l ig h t p a r t o n s . T h e M L M p a r t o n - j e t m a t c h i n g s c h e m e [4 4 ] w a s a p p l i e d t o a v o id d o u b l e - c o u n t i n g o f c o n f i g u r a t i o n s g e n e r a t e d b y b o t h t h e p a r t o n s h o w e r a n d t h e m a t r i x - e l e m e n t c a l c u l a t i o n . A f u r t h e r s a m p l e w a s g e n e r a t e d u s in g M a d G r a p h 5 ( v e r ­ s io n 1 .5 .1 1 ) [4 5 ] w i t h u p t o t h r e e a d d i t i o n a l p a r t o n s a n d u s i n g M L M m a t c h i n g , i n t e r f a c e d t o P y t h i a 6 w i t h t h e P 2 0 1 1 C t u n e . F in a ll y , t h r e e p a i r s o f s a m p l e s w i t h m a t c h i n g s c a le a n d p a r t o n s h o w e r p a r a m e t e r s t u n e d t o e x p l i c i t l y v a r y t h e a m o u n t o f a d d i t i o n a l r a d i a t i o n in t t e v e n t s w e r e u s e d , g e n e r a t e d u s i n g A c e r M C ( v e r s io n 3 .8 ) [4 6 ], A l p g e n o r M a d G r a p h , e a c h i n t e r f a c e d t o P y t h i a 6 w i t h e i t h e r t h e R a d L o o r R a d H i P 2 0 1 1 C t u n e s [2 6 ] . T h e p a ­ r a m e t e r s o f t h e s e s a m p le s w e r e t u n e d t o s p a n t h e v a r i a t i o n s in r a d i a t i o n c o m p a t i b l e w i t h t h e A T L A S t t g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s a t y f s = 7 T e V [2 ] a s d is c u s s e d in d e t a i l in re f. [7 ].

A f t e r t h e e ß b b e v e n t s e le c tio n , t h e e x p e c t e d n o n - t b c o n t r i b u t i o n is d o m i n a t e d b y W t , t h e a s s o c i a t e d p r o d u c t i o n o f a W b o s o n a n d a s in g le t o p q u a r k . T h i s p r o c e s s is d i s t i n c t f r o m t t p r o d u c t i o n w h e n c o n s i d e r e d a t le a d i n g o r d e r . B u t a t N L O in Q C D t h e tw o p r o c e s s e s c a n n o t b e s e p a r a t e d o n c e t h e t o p q u a r k s d e c a y t o W b : t h e r e s u l t i n g W b W b f in a l s t a t e c a n a p p e a r f o r e x a m p l e t h r o u g h b o t h g g ^ t t ^ W b W b a n d g g ^ W t b ^ W b W b , a n d t h e tw o p r o c e s s e s i n t e r f e r e t o a n e x t e n t d e p e n d i n g o n t h e k i n e m a t i c s o f t h e f in a l s t a t e . H o w e v e r , t h e c u r r e n t l y a v a i l a b l e g e n e r a t o r s d o n o t a llo w a f u ll t r e a t m e n t o f t h i s in t e r f e r e n c e ; i n s t e a d t h e y c o n s i d e r t t a n d W t p r o d u c t i o n a s s e p a r a t e p r o c e s s e s . W i t h i n t h i s a p p r o x i m a t i o n , t h e ‘d i a g r a m r e m o v a l ’ a n d ‘d i a g r a m s u b t r a c t i o n ’ s c h e m e s h a v e b e e n p r o p o s e d a s a l t e r n a t i v e s f o r a p p r o x i m a t e l y h a n d l i n g t h e in t e r f e r e n c e b e t w e e n t h e t t a n d W t p r o c e s s e s [4 7 , 4 8 ] . F o r t h i s p a p e r , W t p r o d u c t i o n w a s s i m u l a t e d a s a p r o c e s s s e p a r a t e f ro m t t , u s in g P o w h e g + P y t h i a 6 w i t h t h e C T 1 0 P D F s a n d t h e P 2 0 1 1 C t u n e . T h e d i a g r a m r e m o v a l s c h e m e w a s u s e d a s t h e b a s e l i n e a n d t h e d i a g r a m s u b t r a c t i o n s c h e m e w a s u s e d t o a s s e s s s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t i e s . A c r o s s - s e c t i o n o f 2 2 .4 ± 1 .5 p b w a s a s s u m e d f o r W t p r o d u c t i o n , d e t e r m i n e d b y u s i n g t h e a p p r o x i m a t e N N L O p r e d i c t i o n d e s c r i b e d in re f. [4 9 ] .

O t h e r b a c k g r o u n d s w i t h tw o p r o m p t l e p t o n s a r i s e f r o m d ib o s o n p r o d u c t i o n ( W W , W Z a n d Z Z ) a c c o m p a n i e d b y b - ta g g e d j e t s , m o d e lle d u s in g A l p g e n + H e r w i g + J i m m y w i t h C T E Q 6 L 1 P D F s a n d w i t h t o t a l c r o s s - s e c ti o n s c a l c u l a t e d u s in g M C F M [5 0 ] ; a n d Z ^ t t ( ^ e ß ) + j e t s , m o d e lle d u s i n g A l p g e n + P y t h i a 6 w i t h C T E Q 6 L 1 P D F s , a n d i n c l u d i n g l e a d i n g - o r d e r m a t r i x e l e m e n t s f o r Z b b p r o d u c t i o n . T h e n o r m a l i s a t i o n o f t h i s b a c k g r o u n d w a s d e t e r m i n e d f r o m d a t a u s in g Z ^ e e / ß ß e v e n t s w i t h tw o b - ta g g e d j e t s a s d e s c r i b e d in re f. [1] . T h e r e m a i n i n g b a c k g r o u n d o r i g i n a t e s f r o m e v e n ts w i t h o n e p r o m p t a n d o n e m is id e n t if i e d l e p t o n , e .g . a n o n - p r o m p t l e p t o n f r o m t h e d e c a y o f a b o t t o m o r c h a r m h a d r o n , a n e l e c t r o n f r o m a p h o t o n c o n v e r s io n , h a d r o n i c j e t a c t i v i t y m i s id e n t if i e d a s a n e l e c t r o n , o r a m u o n p r o d u c e d f r o m a n in - f l ig h t d e c a y o f a p i o n o r k a o n . S u c h e v e n t s c a n a r i s e f r o m t t p r o d u c t i o n w i t h o n e h a d r o n i c a l l y d e c a y i n g W , m o d e lle d a s f o r

-

-

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

d i l e p t o n i c t t p r o d u c t i o n w i t h P o w h e g + P y t h i a 6 ; W + j e t s p r o d u c t i o n , m o d e lle d a s f o r Z + j e t s ; a n d t - c h a n n e l s i n g l e - t o p p r o d u c t i o n , m o d e lle d u s i n g A c e r M C + P y t h i a 6 w i t h C T E Q 6 L 1 P D F s . P r e v i o u s s t u d i e s h a v e s h o w n t h a t t h e s e s i m u l a t i o n s a m p l e s p r o v i d e a g o o d m o d e l o f t h e r a t e a n d k i n e m a t i c d i s t r i b u t i o n s o f e ß b b e v e n ts w i t h o n e r e a l a n d o n e m is id e n t if i e d l e p t o n [1] . T h e e x p e c t e d c o n t r i b u t i o n s t o t h e a d d i t i o n a l - j e t d i s t r i b u t i o n s f r o m t t p r o d u c t i o n in a s s o c i a t i o n w i t h a W , Z o r H ig g s b o s o n a r e b e lo w t h e p e r c e n t le v e l. O t h e r b a c k g r o u n d s , in c l u d i n g p r o c e s s e s w i t h tw o m is id e n t if i e d l e p t o n s , a r e n e g lig ib le .

4 O b je c t an d e v en t se le c tio n

T h e tw o a n a l y s e s u s e t h e s a m e o b j e c t a n d e v e n t s e le c tio n a s e m p lo y e d in t h e A T L A S in ­ c lu s iv e t t c r o s s - s e c t i o n a n a l y s i s a t y f s = 8 T e V [1] . E l e c t r o n s w e r e i d e n tif ie d a s d e s c r i b e d in r e f. [5 1 ] , r e q u i r e d t o h a v e t r a n s v e r s e e n e r g y E T > 2 5 G e V a n d p s e u d o r a p i d i t y |n | < 2 .4 7 , a n d t o b e i s o l a t e d t o r e d u c e b a c k g r o u n d s f r o m n o n - p r o m p t a n d m i s id e n t if i e d e l e c t r o n s . E l e c t r o n c a n d i d a t e s w i t h i n t h e t r a n s i t i o n r e g io n b e t w e e n t h e b a r r e l a n d e n d c a p e l e c t r o ­ m a g n e t i c c a l o r i m e t e r s , 1 .3 7 < |n | < 1 .5 2 , w e r e r e m o v e d . M u o n s w e r e id e n tif ie d a s d e s c r i b e d i n re f. [5 2 ] , r e q u i r e d t o h a v e p T > 2 5 G e V a n d |n | < 2 .5 , a n d a ls o r e q u i r e d t o b e i s o l a t e d .

J e t s w e r e r e c o n s t r u c t e d u s i n g t h e a n t i - k t a l g o r i t h m [5 3 , 5 4 ] w i t h r a d i u s p a r a m e t e r R = 0 .4 , s t a r t i n g f r o m c l u s t e r s o f e n e r g y d e p o s i t s in t h e c a l o r i m e t e r s , c a l i b r a t e d u s in g t h e l o c a l c l u s t e r w e i g h t i n g m e t h o d [5 5 ] . J e t s w e r e c a l i b r a t e d u s i n g a n e n e r g y - a n d n - d e p e n d e n t s i m u l a t i o n - b a s e d s c h e m e , w i t h t h e e f f e c ts o f p i l e - u p o n t h e j e t e n e r g y m e a s u r e m e n t b e i n g r e d u c e d u s in g t h e j e t - a r e a m e t h o d d e s c r i b e d in re f. [5 6 ] . A f t e r t h e a p p l i c a t i o n o f in s i t u c o r r e c t i o n s b a s e d o n d a t a [5 7 ] , j e t s w e r e r e q u i r e d t o s a t i s f y p T > 25 G e V a n d |n | < 4 .5 . T o s u p p r e s s t h e c o n t r i b u t i o n f r o m lo w -p T j e t s o r i g i n a t i n g f r o m p i l e - u p i n t e r a c t i o n s , a j e t v e r t e x f r a c t i o n ( J V F ) r e q u i r e m e n t w a s a p p l i e d t o j e t s w i t h p T < 50 G e V a n d |n | < 2 .4 [5 8 ].

S u c h j e t s w e r e r e q u i r e d t o h a v e a t l e a s t 50 % o f t h e s c a l a r s u m o f t h e p T o f t r a c k s a s s o c i a t e d w i t h t h e j e t o r i g i n a t i n g f r o m t r a c k s a s s o c i a t e d w i t h t h e e v e n t p r i m a r y v e r t e x , t h e l a t t e r b e i n g d e f in e d a s t h e r e c o n s t r u c t e d v e r t e x w i t h t h e h i g h e s t s u m o f a s s o c i a t e d t r a c k p T . J e t s w i t h n o a s s o c i a t e d t r a c k s w e r e a l s o s e le c te d . T o p r e v e n t d o u b l e - c o u n t i n g o f e l e c t r o n e n e r g y d e p o s i t s a s j e t s , j e t s w i t h i n A R = 0 .2 o f a r e c o n s t r u c t e d e l e c t r o n w e r e r e m o v e d . F in a ll y , t o f u r t h e r s u p p r e s s n o n - i s o l a t e d l e p t o n s f r o m h e a v y - f la v o u r d e c a y s in s i d e j e t s , e l e c t r o n s a n d m u o n s w i t h i n A R = 0 .4 o f s e le c te d j e t s w e r e a ls o d i s c a r d e d .

J e t s c o n t a i n i n g b - h a d r o n s w e r e t a g g e d u s i n g t h e M V 1 a l g o r i t h m , a m u l t i v a r i a t e d i s c r i m i n a n t m a k i n g u s e o f t r a c k i m p a c t p a r a m e t e r s a n d r e c o n s t r u c t e d s e c o n d a r y v e r ­ t i c e s [5 9 ] . J e t s w e r e d e f in e d t o b e b - ta g g e d if t h e M V 1 d i s c r i m i n a n t v a l u e w a s l a r g e r t h a n a t h r e s h o l d c o r r e s p o n d i n g t o a 7 0 % e f fic ie n c y f o r t a g g i n g b - q u a r k j e t s in t t e v e n ts , g iv in g a r e j e c t i o n f a c t o r o f a b o u t 140 a g a i n s t l i g h t - q u a r k a n d g lu o n j e t s , a n d a b o u t fiv e a g a i n s t j e t s o r i g i n a t i n g f r o m c h a r m q u a r k s .

E v e n t s w e r e r e q u i r e d t o h a v e a r e c o n s t r u c t e d p r i m a r y v e r t e x w i t h a t l e a s t fiv e a s ­ s o c i a t e d t r a c k s . E v e n t s w i t h a n y j e t s f a il in g j e t q u a l i t y r e q u i r e m e n t s [5 7 ] , o r w i t h a n y m u o n s c o m p a t i b l e w i t h c o s m ic - r a y i n t e r a c t i o n s o r s u f f e r i n g s u b s t a n t i a l e n e r g y lo s s t h r o u g h b r e m s s t r a h l u n g in t h e d e t e c t o r m a t e r i a l , w e r e r e m o v e d . A n e v e n t p r e s e l e c t i o n w a s t h e n a p p l i e d , r e q u i r i n g e x a c t l y o n e e l e c t r o n a n d o n e m u o n s e le c te d a s d e s c r i b e d a b o v e , w i t h

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

e p [%] > 2 6 -je ts [%]

D a t a 7 0 8 5 4 1 2 4 3 7

T o t a l s i m u l a t i o n 6 6 2 0 0 1 0 0 .0 1 2 4 0 0 1 0 0 .0

t t 4 0 3 0 0 6 0 .8 1 1 9 0 0 9 6 .3

W t s in g le t o p 3 8 4 0 5 .8 3 6 0 2 .9

Z ( ^ t t ^ e p ) + j e t s 1 2 8 0 0 1 9 .4 6 0.1

D ib o s o n s 8 0 3 0 1 2 .3 2 0 .0

M i s id e n ti f i e d l e p t o n s 1 2 0 0 1 .8 9 6 0 .8

T a b l e 1. S ele c te d n u m b e rs o f e v e n ts w ith a n o p p o site -sig n e p p a ir, a n d w ith a n o p p o site -sig n e p p a ir a n d a t le a s t tw o 6 -tag g e d j e ts in d a ta , c o m p a re d w ith th e p r e d ic tio n s fro m th e b aselin e s im u la tio n , b ro k e n d o w n in to c o n trib u tio n s fro m t t , W t a n d m in o r b a c k g ro u n d p ro ce sses. T h e p re d ic tio n s a re n o rm a lis e d to th e sa m e in te g r a te d lu m in o s ity as th e d a ta .

o p p o s i t e - s i g n e l e c t r i c c h a r g e s . A t l e a s t o n e o f t h e l e p t o n s w a s r e q u i r e d t o b e m a t c h e d t o a n e l e c t r o n o r m u o n o b j e c t t r i g g e r i n g t h e e v e n t . F in a ll y , s e le c te d e v e n t s w e r e r e q u i r e d t o h a v e a t l e a s t tw o 6 - ta g g e d j e t s . T h e r e s u l t i n g e p 6 6 e v e n t s e le c tio n is s i m i l a r t o t h a t o f t h e a/s = 8 T eV s a m p l e w i t h tw o 6 - ta g g e d j e t s u s e d in re f. [1] , e x c e p t t h a t e v e n t s w i t h t h r e e o r m o r e 6 - ta g g e d j e t s a r e a ls o a c c e p t e d . 2 T h e n u m b e r s o f p r e s e l e c t e d o p p o s i t e - s i g n e p a n d s e le c te d e p b b e v e n ts a r e s h o w n in t a b l e 1 . T h e o b s e r v e d e v e n t c o u n t a f t e r r e q u i r i n g a t le a s t tw o b - ta g g e d j e t s is in g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e p r e d i c t i o n f r o m t h e b a s e li n e s i m u l a t i o n .

A d d i t i o n a l j e t s w e r e d e f in e d a s t h o s e o t h e r t h a n t h e tw o 6 - ta g g e d j e t s u s e d t o s e le c t t h e e v e n t . F o r t h e j e t n o r m a l i s e d d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c t i o n m e a s u r e m e n t s , in t h e 3 % o f s e le c te d e v e n t s w i t h t h r e e o r m o r e 6 - ta g g e d j e t s , t h e j e t s w i t h t h e tw o h i g h e s t M V 1 6 - ta g g i n g w e ig h t v a l u e s w e r e t a k e n t o b e t h e 6 - je ts f r o m t h e t o p q u a r k d e c a y s , a n d a n y o t h e r 6 - ta g g e d j e t s w e r e c o n s i d e r e d a s a d d i t i o n a l j e t s , a l o n g w i t h a ll u n t a g g e d j e t s . D i s t r i b u t i o n s o f t h e n u m b e r o f a d d i t i o n a l j e t s a r e s h o w n f o r v a r io u s j e t p T t h r e s h o l d s in f ig u r e 1 . T h e p T d i s t r i b u t i o n s f o r r e c o n s t r u c t e d a d d i t i o n a l j e t s a r e s h o w n in f ig u r e 2 , w i t h t h e e s t i m a t e d c o n t r i b u t i o n f r o m

‘u n m a t c h e d j e t s ’ ( d e f in e d in s e c t i o n 4 .2 b e lo w ) s h o w n s e p a r a t e l y . I n b o t h c a s e s , t h e d a t a a r e s h o w n c o m p a r e d t o t h e p r e d i c t i o n s f r o m s i m u l a t i o n w i t h t h e b a s e li n e P o w h e g + P y t h i a 6 (hdam p = r o ) t t s a m p l e p lu s b a c k g r o u n d s , a n d t h e p r e d i c t i o n s f r o m a l t e r n a t i v e t t s i m u l a t i o n s a m p l e s g e n e r a t e d w i t h P o w h e g + P y t h i a 6 a n d P o w h e g + P y t h i a 8 w i t h h damp = m t , P o w h e g + H e r w i g w i t h h damp = r o a n d M C @ N L O + H e r w i g . T h e j e t m u l t i p l i c i t y d i s ­ t r i b u t i o n s a n d p t s p e c t r a in t h e s i m u l a t i o n s a m p l e s a r e g e n e r a l l y in r e a s o n a b l e a g r e e m e n t w i t h t h o s e f r o m d a t a , e x c e p t f o r M C @ N L O + H e r w i g , w h ic h u n d e r e s t i m a t e s t h e n u m b e r o f e v e n t s w i t h t h r e e o r m o r e e x t r a j e t s , a n d a ls o p r e d i c t s s ig n i f ic a n t ly s o f t e r j e t p T s p e c t r a .

T h e g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s u s e t h e s a m e b a s i c e p 6 6 e v e n t s e le c tio n , b u t r e s t r i c t i n g t h e a d d i t i o n a l j e t s t o t h e c e n t r a l r a p i d i t y r e g io n , |y | < 2 .1 . I f t h r e e o r m o r e j e t s w e r e 6- t a g g e d , t h e tw o h i g h e s t - p T j e t s w e r e c o n s i d e r e d a s t h e 6 - je ts f r o m t h e t o p q u a r k d e c a y s ,

2T he event counts differ from those in ref. [1] as u p d a te d object calibrations were used in th is analysis, in p a rticu la r for th e je t energy scale.

-

-

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

F ig u re 1. D is trib u tio n s o f th e n u m b e r o f r e c o n s tr u c te d e x t r a j e ts w ith |n| < 4.5 a n d p T > (a) 25, (b) 30, (c) 40 a n d (d) 50 G eV in s e le c te d ep66 e v e n ts in d a t a a n d in s im u la tio n , n o rm a lis e d to th e sa m e n u m b e r o f e v e n ts as th e d a ta . T h e s im u la tio n p re d ic tio n s for t t a n d W t s in g le -to p p ro d u c tio n a re sh o w n se p a ra te ly , a n d th e c o n trib u tio n s fro m o th e r b a c k g ro u n d s a re n eg lig ib le. T h e ra tio s o f d iffe re n t M C sa m p le s to d a t a a re sh o w n w ith e r ro r b a r s c o rre s p o n d in g to th e s im u la tio n s t a t i s t i ­ ca l u n c e r ta in ty a n d a s h a d e d b a n d c o rre s p o n d in g to th e d a t a s ta tis tic a l u n c e rta in ty . S y s te m a tic u n c e r ta in tie s a re n o t show n.

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

F ig u re 2. D is trib u tio n s o f r e c o n s tr u c te d j e t p T for th e (a) firs t to (d) f o u rth a d d itio n a l j e t in s e le c te d eßbb ev e n ts. T h e d a t a a re c o m p a re d t o s im u la tio n n o rm a lis e d to th e sa m e n u m b e r o f eßbb e v e n ts as th e d a t a . B a c k g ro u n d s fro m W t s in g le -to p a n d u n m a tc h e d j e ts a re e s tim a te d u sin g th e b a s e lin e P o w h e g + P y t h i a 6 sa m p le s a n d sh o w n se p a ra te ly . T h e c o n trib u tio n s fro m o th e r b a c k g ro u n d s a re n eg lig ib le. T h e r a tio s o f d iffe re n t M C sa m p le s to d a t a a re sh o w n w ith e rro r b a rs c o rre s p o n d in g to th e s im u la tio n s ta tis tic a l u n c e r ta in ty a n d a s h a d e d b a n d c o rre s p o n d in g to th e d a t a s ta tis t ic a l u n c e rta in ty . S y s te m a tic u n c e rta in tie s a re n o t show n.

-

-

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

F ig u re 3. D is tr ib u tio n s o f le a d in g a d d itio n a l r e c o n s tr u c te d j e t (a) p T a n d (b) |y| in epbb e v e n ts as u se d in th e g a p fra c tio n m e a s u re m e n t. T h e d a t a a re sh o w n c o m p a re d to s im u la tio n p re d ic tio n s u sin g se v e ra l t t g e n e ra to rs , w ith th e W t b a c k g ro u n d sh o w n s e p a r a te ly (n o t v isib le in (b )). O th e r b a c k g ro u n d s a re n eg lig ib le. T h e r a tio s o f d iffe re n t M C sa m p le s to d a t a a re sh o w n w ith e rro r b a rs c o rre s p o n d in g to th e s im u la tio n s ta tis tic a l u n c e r ta in ty a n d a s h a d e d b a n d c o rre s p o n d in g to th e d a t a s ta tis t ic a l u n c e rta in ty . S y s te m a tic u n c e rta in tie s a re n o t show n.

and the others as additional jets. This definition follows the pT-ordered selection used at particle level, and is different from th a t used in the differential cross-section analysis, as discussed in sections 4.1 and 4.2 below. D istributions of the pT and |y| of the leading additional jet according to this definition are shown in figure 3. The predictions generally describe the d ata well, and the trends seen are similar to those seen for the leading jet over the full rapidity region in figure 2( a).

4 .1 P a r t ic l e - l e v e l s e l e c t i o n

To facilitate comparisons with theoretical predictions, the measured jet differential cross­

sections and gap fractions were corrected to correspond to the particle level in simulation, thus removing reconstruction efficiency and resolution effects. At particle level, electrons and muons were defined as those originating from W decays, including via the leptonic decay of a

lepton (W ^

^ e /ß ). The electron and muon four-momenta were defined after final-state radiation, and ‘dressed’ by adding the four-momenta of all photons within a cone of size A R = 0.1 around the lepton direction, excluding photons from hadron decays or interactions with detector material. Jets were reconstructed using the anti-kt algorithm with radius param eter R = 0.4 from all final-state particles with mean lifetime greater th an 3 x 10-11 s, excluding dressed leptons and neutrinos not originating from the decays of hadrons. Particles from the underlying event were included, but those from overlaid pile-up collisions were not. Selected jets were required to have pT > 25 GeV and |n| < 4.5,

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

a n d t h o s e w i t h i n A R = 0 .2 o f a p a r t i c l e - l e v e l e l e c t r o n w e r e r e m o v e d . P a r t i c l e - l e v e l j e t s c o n t a i n i n g b - h a d r o n s w e r e id e n tif ie d u s i n g a g h o s t - m a t c h i n g p r o c e d u r e [6 0 ] , w h e r e t h e f o u r - m o m e n t a o f b - h a d r o n s w e r e s c a le d t o a n e g lig ib le m a g n i t u d e a n d in c l u d e d in t h e s e t o f p a r t i c l e s o n w h ic h t h e j e t c l u s t e r i n g a l g o r i t h m w a s r u n . J e t s w h o s e c o n s t i t u e n t s in c lu d e d b - h a d r o n s a f t e r t h i s p r o c e d u r e w e r e l a b e l l e d a s b -je ts .

T h e p a r t i c l e - l e v e l e ^ b b e v e n t s e le c tio n w a s d e f in e d b y r e q u i r i n g o n e e l e c t r o n a n d o n e m u o n w i t h p T > 25 G e V a n d |n | < 2 .5 , e a c h s e p a r a t e d f r o m t h e n e a r e s t j e t b y A R > 0 .4 , a n d a t l e a s t tw o b - je ts w i t h p T > 25 G e V a n d |n | < 2 .5 . T h i s c lo s e ly m a t c h e s t h e e v e n t s e le c tio n u s e d a t r e c o n s t r u c t i o n le v e l.

4 . 2 J e t m a t c h i n g

F o r t h e d e f i n i t i o n o f t h e g a p f r a c t i o n a t p a r t i c l e le v e l, if t h r e e o r m o r e b - je ts w e r e f o u n d , t h e tw o h i g h e s t - p T j e t s w e r e c o n s i d e r e d t o b e t h e b - je ts f r o m t h e t o p d e c a y s , a n d a ll o t h e r j e t s w e r e c o n s i d e r e d t o b e a d d i t i o n a l j e t s , w h e t h e r la b e ll e d b - je ts o r n o t . I n c o n t r a s t , t h e d if f e r ­ e n t i a l j e t c r o s s - s e c t i o n m e a s u r e m e n t s r e q u i r e a n e x p l i c i t j e t - b y - j e t m a t c h i n g o f p a r ti c le - l e v e l t o r e c o n s t r u c t e d j e t s . T h i s w a s a c h ie v e d b y f i r s t c a l c u l a t i n g t h e A R b e t w e e n e a c h p a r t i c l e - le v e l j e t p a s s i n g a lo o s e r r e q u i r e m e n t o f p T > 10 G e V a n d e a c h r e c o n s t r u c t e d b - ta g g e d j e t , c o n s i d e r i n g t h e tw o w i t h h i g h e s t M V 1 w e ig h t if m o r e t h a n tw o r e c o n s t r u c t e d j e t s w e r e b - ta g g e d . O r d e r i n g t h e b - ta g g e d j e t s b y M V 1 w e ig h t w a s f o u n d t o g iv e a g r e a t e r f r a c t i o n o f c o r r e c t m a t c h e s t h a n t h e j e t p T o r d e r i n g u s e d f o r t h e g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s , w h e r e n o j e t m a t c h i n g is n e e d e d . I f t h e c l o s e s t r e c o n s t r u c t e d b - ta g g e d j e t w a s w i t h i n A R < 0 .4 , t h e p a r t i c l e - l e v e l a n d r e c o n s t r u c t e d j e t s w e r e c o n s i d e r e d m a t c h e d . T h e p r o c e d u r e w a s t h e n r e p e a t e d w i t h t h e r e m a i n i n g p a r t i c l e - l e v e l a n d r e c o n s t r u c t e d j e t s , a l lo w in g e a c h p a r t i c l e - le v e l a n d r e c o n s t r u c t e d j e t t o b e m a t c h e d o n l y o n c e . R e c o n s t r u c t e d j e t s w h ic h r e m a i n e d u n a s s o c i a t e d w i t h p a r t i c l e - l e v e l j e t s a f t e r t h i s p r o c e d u r e a r e r e f e r r e d t o a s ‘u n m a t c h e d ’ j e t s ; t h e s e o r i g i n a t e f r o m s in g le p a r t i c l e - l e v e l j e t s w h ic h a r e s p l i t in tw o a t r e c o n s t r u c t i o n le v e l ( o n ly o n e o f w h ic h is m a t c h e d ) , a n d f r o m p i l e - u p ( s in c e p a r t i c l e s f r o m p il e - u p c o llis io n s a r e n o t c o n s i d e r e d in t h e p a r t i c l e - l e v e l j e t c l u s t e r i n g ) . T h e c o n t r i b u t i o n s f r o m s u c h u n m a t c h e d j e t s a r e s h o w n s e p a r a t e l y in f ig u r e 2 .

5 E v a lu a tio n o f s y s te m a t ic u n c e r ta in tie s

M o n t e C a r l o s i m u l a t i o n w a s u s e d t o d e t e r m i n e s e le c tio n e f fic ie n c ie s , d e t e c t o r r e s o l u t i o n e f f e c ts a n d b a c k g r o u n d s . T h e c o r r e s p o n d i n g s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t i e s w e r e e v a l u a t e d a s d is c u s s e d in d e t a i l b e lo w , a n d p r o p a g a t e d t h r o u g h t h e j e t d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c t i o n a n d g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s .

tt" m o d e l l i n g : a l t h o u g h t h e a n a l y s e s m e a s u r e t h e p r o p e r t i e s o f a d d i t i o n a l j e t s in t t e v e n ts , t h e y a r e s t i l l s l i g h t l y s e n s i t i v e t o t h e m o d e l l i n g o f s u c h j e t s in s i m u l a t i o n d u e t o t h e f i n i t e j e t e n e r g y r e s o l u t i o n a n d r e c o n s t r u c t i o n e ffic ie n c y , a s w e ll a s t h e m o d e l l i n g o f o t h e r t t e v e n t p r o p e r t i e s r e l a t e d t o t h e l e p t o n s a n d b - je ts f r o m t h e t o p q u a r k d e c a y s . T h e c o r r e s p o n d i n g u n c e r t a i n t i e s w e r e a s s e s s e d b y c o m p a r i n g s a m p l e s f r o m t h e d if f e r ­ e n t g e n e r a t o r c o n f i g u r a t i o n s d e s c r i b e d in s e c t i o n 3 . I n t h e d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c t i o n

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J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

m e a s u r e m e n t , w h ic h is s e n s i t i v e t o t h e m o d e llin g o f m u l t i p l e a d d i t i o n a l j e t s , t h e u n ­ c e r t a i n t y d u e t o t h e c h o ic e o f m a t r i x - e l e m e n t g e n e r a t o r w a s d e t e r m i n e d b y c o m p a r i n g t h e N L O g e n e r a t o r P o w h e g w i t h t h e l e a d i n g - o r d e r m u l t i - l e g g e n e r a t o r M A d G r A p H , b o t h i n t e r f a c e d t o P y t h i a 6 . I n t h e g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s , w h ic h a r e m o r e s e n s i­

t i v e t o a n a c c u r a t e m o d e l l i n g o f t h e f i r s t a d d i t i o n a l j e t , t h e c o r r e s p o n d i n g u n c e r t a i n t y w a s a s s e s s e d b y c o m p a r i n g t h e N L O g e n e r a t o r s P o w h e g a n d M C @ N L O , b o t h i n t e r ­ f a c e d t o H e k w i g . T h e c h o ic e o f p a r t o n s h o w e r a n d h a d r o n i s a t i o n m o d e l w a s s t u d i e d f o r b o t h a n a l y s e s b y c o m p a r i n g s a m p le s w i t h P o w h e g i n t e r f a c e d e i t h e r t o P y t h i a 6 o r t o H e k w i g . I n a ll t h e s e c a s e s , t h e f u ll d if f e r e n c e b e t w e e n t h e p r e d i c t i o n s f r o m t h e tw o c o m p a r e d s a m p le s w a s a s s i g n e d a s t h e c o r r e s p o n d i n g s y s t e m a t i c u n c e r t a i n t y . T h e u n c e r t a i n t y d u e t o t h e m o d e l l i n g o f a d d i t i o n a l r a d i a t i o n w a s c a l c u l a t e d a s h a l f t h e d if f e r e n c e b e t w e e n t h e r e s u l t s u s in g M A d G r A p H + P y t h i a 6 ( d i f f e r e n t i a l c r o s s ­ s e c ti o n ) o r A L p G E n + P y t h i a 6 ( g a p f r a c t i o n ) s a m p le s w i t h t u n e s g iv in g m o r e o r le s s p a r t o n s h o w e r r a d i a t i o n , s p a n n i n g t h e r e s u l t s f r o m t h e a / s = 7 T eV g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t [2 ] . T h e s e t h r e e s y s t e m a t i c c o m p o n e n t s w e r e a d d e d in q u a d r a t u r e t o g iv e t h e t o t a l t t m o d e l l i n g u n c e r t a i n t y .

S i m u l a t i o n s t a t i s t i c a l u n c e r t a i n t y : in a d d i t i o n t o t h e m o d e llin g u n c e r t a i n t i e s d i s ­ c u s s e d a b o v e , t h e s iz e o f t h e t t s i m u l a t i o n s a m p le s w a s a ls o t a k e n i n t o a c c o u n t .

P a r t o n d i s t r i b u t i o n f u n c t i o n s : t h e u n c e r t a i n t i e s d u e t o l i m i t e d k n o w le d g e o f t h e p r o ­ t o n P D F s w e r e e v a l u a t e d b y r e w e i g h t i n g t h e M C @ N L O + He w i g s i m u l a t e d t t s a m ­ p le b a s e d o n t h e x a n d Q 2 v a l u e s o f t h e p a r t o n s p a r t i c i p a t i n g in t h e h a r d s c a t t e r i n g in e a c h e v e n t . T h e s a m p l e s w e r e r e w e i g h te d u s i n g t h e e i g e n v e c t o r v a r i a t i o n s o f t h e C T 1 0 [2 3 ] , M S T W 2 0 0 8 [1 8 ] a n d N N P D F 2 .3 [3 6 ] N L O P D F s e ts . T h e f in a l u n ­ c e r t a i n t y w a s c a l c u l a t e d a s h a l f t h e e n v e lo p e e n c o m p a s s i n g t h e p r e d i c t i o n s f r o m a ll t h r e e P D F s e t s a l o n g w i t h t h e i r a s s o c i a t e d u n c e r t a i n t i e s , f o llo w in g t h e P D F 4 L H C r e c o m m e n d a t i o n s [3 3 ] .

J e t e n e r g y s c a l e : t h e u n c e r t a i n t y d u e t o t h e j e t e n e r g y s c a le ( J E S ) w a s e v a l u a t e d b y v a r y i n g it in s i m u l a t i o n u s in g a m o d e l w i t h 23 s e p a r a t e o r t h o g o n a l u n c e r t a i n t y c o m ­ p o n e n t s [5 7 ] . T h e s e c o m p o n e n t s c o v e r in s i t u m e a s u r e m e n t u n c e r t a i n t i e s , t h e c r o s s ­ c a l i b r a t i o n o f d i f f e r e n t n r e g io n s , a n d t h e d e p e n d e n c e o n p i l e - u p a n d t h e f la v o u r o f t h e j e t s . T h e t o t a l j e t e n e r g y s c a le u n c e r t a i n t y v a r ie s in t h e r a n g e 1 - 6 % w i t h a d e p e n d e n c e o n b o t h j e t p T a n d |n |.

J e t e n e r g y r e s o l u t i o n / e f f i c i e n c y : t h e j e t e n e r g y r e s o l u t i o n ( J E R ) w a s f o u n d t o b e w e ll- m o d e lle d in s i m u l a t i o n [6 1 ] , a n d r e s i d u a l u n c e r t a i n t i e s w e r e a s s e s s e d b y a p p l y i n g a d d i t i o n a l s m e a r i n g t o t h e s i m u l a t e d j e t e n e r g ie s . T h e c a l o r i m e t e r j e t r e c o n s t r u c t i o n e f f ic ie n c y w a s m e a s u r e d in d a t a u s in g t r a c k - b a s e d j e t s , a n d f o u n d t o b e g e n e r a l l y w e ll- d e s c r i b e d b y t h e s i m u l a t i o n . R e s i d u a l u n c e r t a i n t i e s w e r e a s s e s s e d b y d i s c a r d i n g 2 % o f j e t s w i t h p t < 3 0 G e V ; t h e u n c e r t a i n t i e s f o r h i g h e r - m o m e n t u m j e t s a r e n e g lig ib le . B o t h t h e s e u n c e r t a i n t i e s w e r e s y m m e t r i s e d a b o u t t h e n o m i n a l v a lu e . T h e u n c e r t a i n t y d u e t o t h e v e t o o n e v e n t s f a il in g j e t q u a l i t y r e q u i r e m e n t s is n e g lig ib le .

J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4

U n m a t c h e d j e t s m o d e l l i n g : t h e m o d e l l i n g o f t h e c o m p o n e n t o f u n m a t c h e d j e t s f ro m p il e - u p c o llis io n s w a s c h e c k e d b y c o m p a r i n g t h e p r e d i c t i o n s f r o m s i m u l a t e d t t e v e n ts c o m b i n e d w i t h e i t h e r P o w h e g + P y t h i a 8 p i l e - u p s i m u l a t i o n o r ‘z e r o - b i a s ’ d a t a . T h e l a t t e r w e r e r e c o r d e d f r o m r a n d o m l y t r i g g e r e d b u n c h c r o s s i n g s t h r o u g h o u t t h e d a t a - t a k i n g p e r i o d , a n d r e w e i g h te d t o m a t c h t h e i n s t a n t a n e o u s l u m i n o s i t y d i s t r i b u t i o n in t h e s i m u l a t e d t t s a m p le . T h e e s t i m a t e d n u m b e r o f a d d i t i o n a l j e t s p e r e v e n t f r o m p il e - u p is 0 .0 1 7 ± 0 .0 0 2 in t h e c e n t r a l r e g io n u s e d b y t h e g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s ( |y | < 2 .1 ) a n d 0 .0 3 8 ± 0 .0 0 5 o v e r t h e f u ll r e g io n u s e d b y t h e d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c t i o n m e a s u r e m e n t s ( |n | < 4 .5 ) . T h e u n c e r t a i n t i e s r e p r e s e n t t h e f u ll d if f e r e n c e b e t w e e n t h e r a t e in z e r o - b ia s d a t a a n d s i m u l a t i o n . T h e r a t e o f u n m a t c h e d j e t s in s i m u l a t i o n w a s v a r i e d b y t h e s e u n c e r t a i n t i e s in o r d e r t o d e t e r m i n e t h e e ff e c t o n t h e r e s u l t s . I n t h e d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c t i o n m e a s u r e m e n t s , t h e f u ll r a t e o f p a r t i c l e - l e v e l j e t s t h a t w e r e s p l i t in tw o a t r e c o n s t r u c t i o n le v e l in t h e b a s e l i n e s i m u l a t i o n w a s t a k e n a s a n a d d i t i o n a l u n c e r t a i n t y o n t h e r a t e o f u n m a t c h e d j e t s .

J e t v e r t e x f r a c t i o n : in b o t h m e a s u r e m e n t s , t h e c o n t r i b u t i o n o f j e t s f r o m p i l e - u p w i t h i n

|n | < 2 .4 w a s r e d u c e d b y t h e J V F r e q u i r e m e n t d e s c r i b e d in s e c t i o n 4 . T h e u n c e r ­ t a i n t i e s in t h e e f f ic ie n c y o n n o n - p i l e - u p j e t s o f t h e J V F r e q u i r e m e n t w e r e a s s e s s e d b y v a r y i n g t h e c u t v a l u e in s i m u l a t i o n , b a s e d o n s t u d i e s o f Z ^ e e a n d Z ^ ß ß e v e n t s [5 6 ] .

O t h e r d e t e c t o r u n c e r t a i n t i e s : t h e m o d e llin g o f t h e e l e c t r o n a n d m u o n t r i g g e r a n d i d e n ­ t i f i c a t i o n e f fic ie n c ie s , e n e r g y s c a le s a n d r e s o l u t i o n s w e r e s t u d i e d u s i n g Z ^ e e / ^ , J / 0 ^ e e / ^ a n d W ^ e v e v e n ts in d a t a a n d s i m u l a t i o n , u s in g t h e t e c h n i q u e s d e ­ s c r i b e d in r e fs . [5 1 , 6 2 , 6 3 ] . T h e u n c e r t a i n t i e s in t h e e ff ic ie n c ie s f o r b - ta g g i n g b, c a n d l ig h t - f la v o u r j e t s w e r e a s s e s s e d u s i n g s t u d i e s o f b - je ts c o n t a i n i n g m u o n s , j e t s c o n t a i n ­ in g D * m e s o n s , a n d in c lu s iv e j e t e v e n ts [5 9 ] . T h e r e s u l t i n g u n c e r t a i n t i e s in t h e m e a ­ s u r e d n o r m a l i s e d d i f f e r e n t i a l j e t d i s t r i b u t i o n s a n d g a p f r a c t i o n s a r e v e r y s m a ll, s in c e t h e s e u n c e r t a i n t i e s t y p i c a l l y a f f e c t t h e n u m e r a t o r s a n d d e n o m i n a t o r s in a s i m i l a r w ay .

B a c k g r o u n d s : a s s h o w n in t a b l e 1 , t h e m o s t s ig n i f ic a n t b a c k g r o u n d c o m e s f r o m W t s i n g l e - t o p e v e n ts . T h e u n c e r t a i n t y d u e t o t h i s b a c k g r o u n d w a s a s s e s s e d b y c o n ­ s e r v a t i v e l y d o u b l i n g a n d r e m o v i n g t h e e s t i m a t e d W t c o n t r i b u t i o n , t a k i n g h a l f t h e d if f e r e n c e in t h e r e s u l t b e t w e e n t h e s e e x t r e m e v a r i a t i o n s . T h e s e n s i t i v i t y t o t h e m o d e l l i n g o f W t s i n g l e - t o p e v e n t s w a s a ls o a s s e s s e d b y u s in g a s a m p l e s i m u l a t e d w i t h Po w h e g + Py t h i a6 u s i n g t h e d i a g r a m s u b t r a c t i o n s c h e m e [4 7 , 4 8 ] i n s t e a d o f t h e b a s e l i n e d i a g r a m r e m o v a l s c h e m e . T h e u n c e r t a i n t y d u e t o Z + j e t s a n d d i b o s o n b a c k g r o u n d is n e g l ig ib le in c o m p a r i s o n . I n t h e g a p f r a c t i o n m e a s u r e m e n t s , t h e a d d i t i o n a l b a c k g r o u n d u n c e r t a i n t y f r o m e v e n ts w i t h a m is id e n t if i e d l e p t o n w a s a ls o a s s e s s e d b y d o u b l i n g a n d r e m o v i n g i t, a c o n s e r v a t i v e r a n g e a c c o r d i n g t o t h e s t u d i e s o f re f. [1] . I n t h e j e t d i f f e r e n t i a l c r o s s - s e c t i o n m e a s u r e m e n t s , t h e m i s i d e n t i f i c a t i o n o f j e t s a s l e p t o n s i n d u c e s m i g r a t i o n in t h e a d d i t i o n a l - j e t r a n k d i s t r i b u t i o n s , a n d is c o r r e c t e d f o r a s p a r t o f t h e u n f o l d i n g p r o c e d u r e . T h e r e s u l t i n g e f f e c ts o n t h e

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J H E P 0 9 ( 2 0 1 6 ) 0 7 4