Measurement of the $${\mathrm {t}\overline{\mathrm {t}}}$$ t t ¯ production cross section, the top quark mass, and the strong coupling constant using dilepton events in pp collisions at $$\sqrt{s}=13\,\text {Te}\text {V} $$ s = 13 Te

Abstract

A measurement of the top quark-antiquark pair production cross section <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi> <mml:mover><mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover> </mml:mrow> </mml:msub> </mml:math> in proton-proton collisions at a centre-of-mass energy of 13 <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mspace></mml:mspace> <mml:mrow><mml:mtext>Te</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> is presented. The data correspond to an integrated luminosity of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mrow><mml:mn>35.9</mml:mn> <mml:mrow><mml:mspace></mml:mspace> <mml:msup><mml:mtext>fb</mml:mtext> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>1</mml:mn></mml:mrow> </mml:msup> </mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> , recorded by the CMS experiment at the CERN LHC in 2016. Dilepton events ( <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>e</mml:mi></mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>±</mml:mo></mml:msup> </mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:mi>μ</mml:mi></mml:math> <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"><mml:msup><mml:mrow></mml:mrow> <mml:mo>∓</mml:mo></mml:msup> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>+</mml:mo></mml:msup> <mml:msup><mml:mi>μ</mml:mi> <mml:mo>-</mml:mo></mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> , <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow> <mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow> <mml:mo>+</mml:mo></mml:msup> <mml:msup><mml:mrow><mml:mi>e</mml:mi></mml:mrow> <mml:mo>-</mml:mo></mml:msup> </mml:mrow> </mml:math> ) are selected and the cross section is measured from a likelihood fit. For a top quark mass parameter in the simulation of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi> <mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow> <mml:mi>MC</mml:mi></mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>172.5</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mrow><mml:mtext>Ge</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> the fit yields a measured cross section <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msub><mml:mi>σ</mml:mi> <mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi> <mml:mover><mml:mi>t</mml:mi> <mml:mo>¯</mml:mo></mml:mover> </mml:mrow> </mml:msub> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>803</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>2</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>(stat)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>25</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>(syst)</mml:mtext> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>20</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>(lumi)</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>pb</mml:mtext></mml:mrow> </mml:math> , in agreement with the expectation from the standard model calculation at next-to-next-to-leading order. A simultaneous fit of the cross section and the top quark mass parameter in the powheg simulation is performed. The measured value of <mml:math xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML"> <mml:mrow><mml:msubsup><mml:mi>m</mml:mi> <mml:mrow><mml:mi>t</mml:mi></mml:mrow> <mml:mi>MC</mml:mi></mml:msubsup> <mml:mo>=</mml:mo> <mml:mn>172.33</mml:mn> <mml:mo>±</mml:mo> <mml:mn>0.14</mml:mn> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>(stat)</mml:mtext> <mml:msubsup><mml:mspace></mml:mspace> <mml:mrow><mml:mo>-</mml:mo> <mml:mn>0.72</mml:mn></mml:mrow> <mml:mrow><mml:mo>+</mml:mo> <mml:mn>0.66</mml:mn></mml:mrow> </mml:msubsup> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mtext>(syst)</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace> <mml:mrow><mml:mtext>Ge</mml:mtext> <mml:mspace></mml:mspace></mml:mrow> </mml:mrow> </mml:math> is in good agreement with previous measurements. The resulting cross section is used, together with the theoretical prediction, to determine the top quark mass and to extract a value of the strong coupling constant with different sets of parton distribution functions.