[論文レビュー] Back-to-back azimuthal correlations in $\mathrm {Z} +$jet events at high transverse momentum in the TMD parton branching method at next-to-leading order

H. Yang, A. Bermúdez Martínez+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、高横断運動量（pT ≈ 100–1000 GeV）におけるZボソンとジェットの間の方位相相関と、マルチジェット事象との比較を通じて、QCDにおける因子化破れ効果を新たに探る実験的プローブを提案する。Parton Branching（PB）TMD手法をMCatNLOを用いたNLO計算とマッチングすることで、pT ~ 100 GeVではZ+ジェットの方位相相関が二ジェット生成におけるものよりも急であるが、pT ~ 1000 GeVでは収束することが示され、初期状態および最終状態放射の違いが、非摂動的ダイナミクスを露にする可能性を示している。

ABSTRACT

Azimuthal correlations in Z+jet production at large transverse momenta are computed by matching Parton - Branching (PB) TMD parton distributions and showers with NLO calculations via MCatNLO. The predictions are compared with those for dijet production in the same kinematic range. The azimuthal correlations $Δϕ$ between the Z boson and the leading jet are steeper compared to those in dijet production at transverse momenta ${\cal O}(100)$ GeV, while they become similar for very high transverse momenta ${\cal O}(1000)$ GeV. The different patterns of Z+jet and dijet azimuthal correlations can be used to search for potential {\it factorization - breaking} effects in the back-to-back region, which depend on the different color and spin structure of the final states and their interferences with the initial states. In order to investigate these effects experimentally, we propose to measure the ratio of the distributions in $Δϕ$ for Z+jet - and multijet production at low and at high transverse momenta, and compare the results to predictions obtained assuming factorization. We examine the role of theoretical uncertainties by performing variations of the factorization scale, renormalization scale and matching scale. In particular, we present a comparative study of matching scale uncertainties in the cases of PB-TMD and collinear parton showers.

研究の動機と目的

• 高横断運動量におけるZ+ジェットと二ジェット生成の間の方位相相関の違いを調査すること。
• 初期状態および最終状態放射における色およびスピン干渉によって生じるQCDにおける潜在的な因子化破れ効果を探ること。
• 因子化仮定をテストするための測定可能な観測量—Z+ジェットとマルチジェット事象における∆φ分布の比—を提案すること。
• PB-TMDと摂動的パートンシャワーとの間のマッチングスケール依存性およびスケール変動による理論的不確実性を評価すること。
• 高pTにおけるバック・トゥ・バック領域（Δφ ≈ π）への新たな実験的アクセスを可能にすること。これは、従来の細かい角度分解能では未到達であった領域である。

提案手法

• 横断運動量に依存する（TMD）パートン分布関数（PDF）およびパートンシャワーをモデル化するため、Parton Branching（PB）アプローチを用いる。
• MCatNLOフレームワークを用いて、PB-TMDで進化させたPDFとZ+ジェット生成のNLO計算をマッチングする。
• NLO行列要素にはMADGRAPH5_AMC@NLOを用い、検証のためCAS3およびH6パートンシャワー・アルゴリズムと組み合わせる。
• 因子化、重規格化、マッチングスケールの体系的スケール変動を実施し、理論的不確実性を定量化する。
• PB-TMDの予測とコラinearパートンシャワー（H6）の予測を比較し、マッチングスケールへの感受性を評価する。
• Z+ジェットおよび二ジェット事象の両方で同一のLHEファイルを用いることで、∆φ分布の一貫性ある比較を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高横断運動量におけるZボソンとジェットの間の方位相相関は、二ジェット生成におけるものとどのように異なるか？
• RQ2 高pTにおけるQCDの因子化破れ効果を実験的に探るための観測量として、どのようなものがあるか？
• RQ3 スケール変動による理論的不確実性は、PB-TMD予測とコラinearシャワー予測とでどのように異なっているか？
• RQ4 TMDダイナミクスおよびソフトグルーオンの再結合が、pT ~ 1000 GeVにおけるZ+ジェット事象の∆φ分布にどの程度の影響を与えるか？
• RQ5 Z+ジェットとマルチジェット事象における∆φ分布の比は、非摂動的効果をクリアに探るための有効なプローブとして機能するか？

主な発見

• pT ≈ 100 GeVでは、初期状態放射および色干渉効果が強く、Z+ジェットの方位相相関は二ジェット生成よりも急である。
• pT ≈ 1000 GeVでは、Z+ジェットと二ジェット生成の∆φ分布が類似し、摂動的ダイナミクスの収束を示している。
• スケール変動による理論的不確実性は、PB-TMDとコラinearシャワー両フレームワークで良好に制御されており、一貫性がある。
• MCatNLOとマッチングされたPB-TMD手法は、NLO+PS予測を正確に再現でき、高pT研究における有効性が検証された。
• Z+ジェットとマルチジェット事象における∆φ比の比較は、因子化をテストするためのロバストでスケール不変な観測量を提供する。
• 前方/後方領域における準微粒子密度分布の乖離は、特にVQCUTおよびVGCUTパラメータに敏感であり、パートンシャワーのパラメータ依存性を反映している。