[論文レビュー] Beautiful and Charming Energy Correlators

Evan Craft, Kyle Lee+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2022

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 7

ひとこと要約

この論文は、因子化定理を用いて重いクォークの固有質量を組み込むことで、ベータおよび charm クォークのジェットにおけるエネルギー相関関数の、初の完全な次々に精度の高い対数計算（NLL）を提示する。これは、重いクォーク質量スケールで質量ゼロから質量ありの挙動への明確な遷移を示し、デッド・コーン効果を明らかにするとともに、ジェット構造の質量効果を摂動的フレームワークとしてモデル化する基盤を提供する。

ABSTRACT

Understanding the detailed structure of energy flow within jets, a field known as jet substructure, plays a central role in searches for new physics, and precision studies of QCD. Many applications of jet substructure require an understanding of jets initiated by heavy quarks, whose description has lagged behind remarkable recent progress for massless jets. In this Letter, we initiate a study of correlation functions of energy flow operators on beauty and charm jets to illuminate the effects of the intrinsic mass of the elementary particles of QCD. We present a factorization theorem incorporating the mass of heavy quarks, and show that the heavy quark jet functions for energy correlators have a simple structure in perturbation theory. Our results achieve the very first full next-to-leading-logarithmic calculation of the heavy quark jet substructure observable at the LHC. Using this framework, we study the behavior of the correlators, and show that they exhibit a clear transition from a massless scaling regime, at precisely the scale of the heavy quark mass. This manifests the long-sought-after dead-cone effect and illustrates fundamental effects from the intrinsic mass of beauty and charm quarks in a perturbative regime, before they are confined inside hadrons. Our theoretical framework for studying energy correlators using heavy jets has many exciting applications for improving the description of mass effects in next generation parton shower event generators, probing the QGP, and studying heavy flavor fragmentation functions.

研究の動機と目的

• 質量ゼロのジェットとは異なり、質量を持つ（ベータおよび charm）クォークのジェット構造を記述する理論的進展の欠如に対処すること。
• エネルギー相関関数の観測量に重いクォークの固有質量を組み込む因子化フレームワークの構築。
• LHC における重いクォークジェット構造観測量の、初の完全な次々に精度の高い対数計算（NLL）を達成すること。
• 重いクォーク質量による摂動的デッド・コーン効果のエネルギー相関関数における顕在化を明らかにすること。
• 次世代のパートンシャワー生成器の改善および重いフレーバーを用いたクォーク・グルーオン・プラズマの探査の基盤を提供すること。

提案手法

• エネルギー相関関数の重いクォークジェットにおける因子化定理を導出し、ハード関数、ジェット関数、ソフト関数を明示的な質量依存性とともに分離する。
• 紫外・赤外発散を処理するための次元正則化を用い、質量を含む 1→2 分岐関数を用いて NLL 精度での重いクォークジェット関数を計算する。
• 実および虚の補正の両方の寄与を含み、赤外発散が合算によりキャンセルされ、赤外有限性を保証する。
• 重いクォーク質量によって小角度での放射能が抑制される様子をモデル化するため、質量を含む分岐関数 P_{Q→Qg} および P_{g→Q̄Q} を用いる。
• エネルギー相関関数を最大 6 点まで（N=2 から N=6）摂動的計算し、δ = M/p_T および A = (1−√(1−4δ))/2 の形でジェット関数の構造を抽出する。
• p_T R_L ≫ M の極限において質量ゼロのジェット関数が回復されることを検証し、既知の結果との一貫性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ベータおよび charm クォークの固有質量が、ジェット内のエネルギー相関関数の構造にどのように影響するか？
• RQ2 エネルギー相関関数において、質量ゼロから質量ありのジェット挙動への遷移がどのエネルギースケールで発生するか？
• RQ3 エネルギー相関関数における重いクォークジェットで、デッド・コーン効果を摂動的フレームワークで観測および定量できるか？
• RQ4 摂動論的次々に精度の高い対数計算（NLL）において、重いクォークジェット関数の構造は何か？
• RQ5 クォーク質量効果を組み込むことで、パートンシャワー・シミュレーションにおけるジェット構造の記述がどのように改善できるか？

主な発見

• エネルギー相関関数は、重いクォーク質量スケールで明確に質量ゼロのスケーリング挙動から質量ありの挙動への遷移を示し、デッド・コーン効果の理論的期待と一致することを確認する。
• エネルギー相関関数の重いクォークジェット関数は、摂動論的計算において単純で計算可能な構造を持ち、δ = M/p_T および A = (1−√(1−4δ))/2 を含む対数項に明示的な依存性を示す。
• 重いクォークジェットにおけるジェット関数の NLL 計算は、これが初の完全な結果であり、今後の理論的および現象的作業のベンチマークを提供する。
• 虚および実の補正は赤外発散をキャンセルし、残りの紫外発散は次元正則化により規格化され、最終結果の赤外有限性が保証される。
• p_T R_L ≫ M の極限において、結果は既知の質量ゼロのジェット関数に還元され、フレームワークの一貫性が検証される。
• このフレームワークにより、エネルギー相関関数における質量効果の正確なモデル化が可能となり、パートンシャワー生成器の改善および重いフレーバーを用いたクォーク・グルーオン・プラズマの探査への直接的応用が可能になる。