Kurzfassung
Top-Quarks mit hohem Impuls werden in großen Mengen am Large Hadron Collider (LHC) produziert. Sie sind sowohl Teil vieler Suchen nach neuer Physik als auch relevant für Messungen fundamentaler Parameter des Standard Modells der Teilchenphysik. Bei diesen hohen Impulsen haben Top-Quarks große Lorentzfaktoren, sodass ihre hadronischen Zerfallsprodukte kollimieren und mit einem einzelnen Jet rekonstruiert werden. Eine Analyse der Substruktur dieser Jets erlaubt es, ihren Ursprung zu identifizieren. In der vorliegenden Arbeit werden zwei Messungen von Top-Quarks mit hohem Impuls präsentiert. Beide basieren auf Proton-Proton Kollisionsdaten, die während des Run 2 bei einer Schwerpunktsenergie von 13 TeV mit dem Compact Muon Solenoid (CMS) Experiment am LHC aufgenommen wurden. Beide selektieren den Lepton+Jets Zerfallskanal von paarweise produzierten Top-Quarks (tt) und nutzen den leptonischen Zerfall t->bW->blnu um Signal- von Untergrundereignissen zu trennen, während die Messung am hadronischen Zerfall t->bW->bqq durchgeführt wird.
Die erste Analyse ist eine Messung des differentiellen tt Produktionswirkungsquerschnitts als Funktion der Jetmasse. Sie benutzt Daten, die in 2016 aufgenommen wurden und einer integrierten Luminosität von 35.9 fb^-1 entsprechen. Mit Hilfe von Simulationen werden die Daten entfaltet. Zusätzlich zur Messung der Jetmasse wird die Masse des Top-Quarks mit einem Wert von mtop = 172.6 +- 2.5 GeV extrahiert. Damit ist dies eine Messung der Top-Quark-Masse in einer kinematischen Region, die sich sehr von tt an der Produktionsschwelle unterscheidet. Zusätzlich lässt sich die Verteilung in der Jetmasse bei hohen Top-Quark-Impulsen analytisch berechnen und erlaubt einen direkten Vergleich mit experimentellen Daten, der die Extraktion einer sauber definierten Top-Quark-Masse ermöglicht.
In einer zweiten Analyse werden Top-Tagging-Algorithmen -- also die Identifikation von Jets, die einem hadronischen Zerfall von Top-Quarks mit hohem Impuls entspringen -- studiert. Die Tagging-Effizienzen werden sowohl in Daten als auch Simulationen gemessen. Die Analyse basiert auf Daten aus den Jahren 2016, 2017 und 2018, die integrierten Luminositäten von 35.9 fb^-1, 41.5 fb^-1 und 59.7 fb^-1 entsprechen. Top-Tagging-Algorithmen werden validiert und ihre Effizienzen mit Hilfe eines Template-Fits zu Daten extrahiert. Dies erlaubt die Messung für individuelle Beiträge von Ereignissen, in denen unterschiedliche Anteile des Top-Quark-Zerfalls in einem Jet rekonstruiert werden. Als Ergebnis werden Korrekturfaktoren berechnet, die Unterschiede zwischen Daten und Modellierung von Substruktur in Simulationen ausgleichen. Diese Korrekturfaktoren werden von der CMS Kollaboration für die Nutzung in Analysen empfohlen.
Top quarks with high momenta are abundantly produced at the Large Hadron Collider (LHC). They are of relevance for both searches for new physics and measurements of fundamental parameters of the Standard Model of particle physics (SM). At high momenta, top quarks are boosted with high Lorentz factors, such that hadronic decay products collimate, merge into a single jet, and jet substructure techniques become crucial for further analysis. In this thesis, two measurements studying top quarks at high momenta are presented. They make use of proton-proton collision data recorded during the Run 2 data taking period with the Compact Muon Solenoid (CMS) experiment at the LHC, operating at a center-of-mass energy of 13 TeV. Both analyses target the lepton+jets decay channel of top quark pair production (tt) and use the leptonic leg t->bW->blnu to distinguish signal events from background, while the measurement is performed using the hadronic decay t->bW->bqq. The first analysis is a measurement of the differential tt production cross section as a function of the jet mass. The measurement is carried out using data recorded in 2016 corresponding to an integrated luminosity of 35.9 fb^-1. Using information from simulated events, the data are unfolded to the particle level. In addition to the measurement of the jet mass itself, the top quark mass is extracted and measured to be mtop = 172.6 +- 2.5 GeV. This presents a complementary measurement of the top quark mass in a topology very different than threshold production. In addition, the jet mass distribution can be calculated analytically at high top quark momenta, which allows for a direct comparison with data and can help to resolve ambiguities in the definition of the top quark mass scheme. In the second analysis, the identification of jets that originate from hadronic decays of boosted top quarks, referred to as top tagging, is studied, and the corresponding efficiencies are measured in data and simulation. The measurements are carried out using all three data taking periods in 2016, 2017, and 2018, which correspond to integrated luminosities of 35.9 fb^-1, 41.5 fb^-1 und 59.7 fb^-1, respectively. Top tagging techniques using jet substructure are validated, and the efficiencies are extracted using template fits to data. This enables the efficiency measurement of individual contributions from fully merged, semimerged, and unmerged events, depending on the containment of the top quark decay products in a single jet. As a result, correction factors are derived that account for differences between data and jet substructure modeling in simulation. The correction factors obtained in this measurement are endorsed by the CMS Collaboration for the use in analyses.