[論文レビュー] Analytic Boosted Boson Discrimination at the Large Hadron Collider

Andrew J. Larkoski, Ian Moult+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2017

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 1被引用数 23

ひとこと要約

本稿は、LHCにおけるゴーミング多本指ジャットの部分構造観測量の解析的計算のための体系的で効果的な場理論フレームワークを提示する。主な焦点は$D_2$判別子である。次-leading logarithmic (NLL) の精度に達し、leading-order固定順序結果とマッチングすることで、摂動的および非摂動的効果（特に非摂動的形状関数）の精密なモデル化が可能となり、ブーストされた$W/Z/H$ボソンとQCDバックグラウンドの区別が向上する。

ABSTRACT

Jet substructure is playing a central role at the Large Hadron Collider (LHC) probing the Standard Model in extreme regions of phase space and providing innovative ways to search for new physics. Analytic calculations of experimentally successful observables are a primary catalyst driving developments in jet substructure, allowing for a deeper understanding of observables and for the exploitation of increasingly subtle features of jets. In this paper we present a field theoretic framework enabling systematically improvable calculations of groomed multi-prong substructure observables, which builds on recent developments in multi-scale effective theories. We use this framework to compute for the first time the full spectrum for groomed tagging observables at the LHC, carefully treating both perturbative and non-perturbative contributions in all regions. Our analysis enables a precision understanding which we hope will improve the reach and sophistication of jet substructure techniques at the LHC.

研究の動機と目的

• LHCにおけるゴーミング多本指ジャット部分構造観測量を計算する体系的かつ改善可能な場理論的フレームワークの構築。
• $D_2$観測量における摂動QCDの次-leading logarithmic (NLL) 精度を達成し、マッチドleading-order固定順序結果を含む。
• ハドロン化や複数のパートン衝突といった非摂動的効果を、普遍的な形状関数$F(\epsilon)$を用いてモデル化する。
• ブーストされた$Z$ボソンとQCDジャットの$D_2$分布に関する高精度な理論的理解を提供し、区別の向上を実現する。
• Pythia 8シミュレーションを用いたフレームワークの検証を行い、クォークとグルーオンジャットの両方で非摂動的パラメータ$\Omega_D$の普遍性を確認する。

提案手法

• ブーストされたジャットにおける異なるエネルギースケールの放射を因子化するため、マルチスケール有効場理論(EFT)を用いる。
• $D_2$分布において支配的となる対数的に強化された項を、再生群の発展を用いて再まとめることを行う。
• ゴーミング$D_2$観測量の因子化定理を導出し、摂動的および非摂動的寄与を分離する。
• 摂動的断面積と畳み込みを行うことで、非摂動的効果を形状関数$F(\epsilon) = (4\epsilon/\Omega_D^2)e^{-2\epsilon/\Omega_D}$でモデル化する。
• Pythia 8.226における$e^+e^-$衝突から$\Omega_D$を抽出し、クォークとグルーオンジャットの両方で同一であることを確認する。
• $1\to3$分割関数を用いて、NLL摂動的結果とleading-order固定順序計算をマッチングし、完全な精度を達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NLL精度でゴーミング多本指ジャット部分構造観測量（例：$D_2$）を計算できる体系的EFTフレームワークを構築可能か？
• RQ2 特にハドロン化や複数のパートン衝突といった非摂動的効果が、ブーストされた$Z$およびQCDジャットにおける$D_2$分布に与える影響は何か？
• RQ3 非摂動的形状関数$F(\epsilon)$は、異なる初期状態のパートン（クォーク対グルーオン）および質量カットに対して普遍的か？
• RQ4 非摂動的補正が、$D_2$ベースの$Z$ボソンタギングにおける信号効率とバックグラウンド排斥の定量的影響は何か？
• RQ5 $D_2$スペクトルの摂動的および非摂動的成分は、理論的制御のもとで、どれほど明確に分離され、解析的にモデル化可能か？

主な発見

• LHCにおけるゴーミング$D_2$分布の最初のNLL再まとめとマッチドleading-order計算が達成され、高精度な理論的予測が得られた。
• 非摂動的効果は、一様な形状関数$F(\epsilon)$でよく記述され、$\Omega_D$は$e^+e^-$衝突から抽出され、クォークとグルーオンジャットの両方で同一であることが確認された。
• 形状関数は、非摂動的寄与が強調される小質量領域でも、Pythia 8シミュレーションにおけるハドロン化効果を正確に再現した。
• 複数のパートン衝突(MPI)は、有効なジャット領域の抑制$m_J^2/p_{TJ}^2 \ll z_{\text{cut}}$により、$D_2$分布にほとんど寄与しないことが判明した。
• 非摂動的補正は、特に$Z$ボソンの識別に重要な低-$D_2$領域で、非自明な影響を及ぼすことが分かった。
• 解析的フレームワークにより、摂動的および非摂動的ダイナミクスの両方に対する頑健な理論的制御が可能となり、LHCにおけるより優れたジャット部分構造技術の実現に道筋が示された。