[論文レビュー] Determination of the strong coupling and its running from measurements of inclusive jet production

CMS Collaboration|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、LHCにおける2.76、7、8、13 TeVのエネルギーで得られたCMSの二重微分的包含ジェット断面積を分析し、HERAの深く非弾性散乱データと組み合わせることで、次々に精度の高い（NNLO）Zボソン質量スケールにおける強い結合定数αSを決定する。結果はαS(mZ) = 0.1176+0.0014−0.0016であり、1.6 TeVまでαSのエネルギースケール依存性（ランニング）の証拠が得られ、αSと一部子分布関数（PDFs）を同時に抽出することで達成された。

ABSTRACT

The value of the strong coupling $\alpha_\mathrm{S}$ is determined in a comprehensive analysis at next-to-next-to-leading order accuracy in quantum chromodynamics. The analysis uses double-differential cross section measurements from the CMS Collaboration at the CERN LHC of inclusive jet production in proton-proton collisions at centre-of-mass energies of 2.76, 7, 8, and 13 TeV, combined with inclusive deep-inelastic data from HERA. The value $\alpha_\mathrm{S}(m_\mathrm{Z})$ = 0.1176$\,^{+0.0014}_{-0.0016}$ is obtained at the scale of the Z boson mass. By using the measurements in different intervals of jet transverse momentum, the running of $\alpha_\mathrm{S}$ is probed for energies between 100 and 1600 GeV.

研究の動機と目的

• 包含ジェット生成データを用いて、高い精度でZボソン質量スケールにおける強い結合定数αSを決定すること。
• ジェット断面積測定を用いて、100 GeVから1.6 TeVのエネルギースケールにわたるαSのランニングがQCD予測とどの程度一致するかを調べること。
• αSと一部子分布関数（PDFs）を同時に抽出することで、相関に起因するバイアスを低減するグローバルなQCD解析を実施すること。
• pTおよび|y|の区間における相関をモデル化することで、ジェットエネルギースケールおよびエネルギー分解能の不確かさの理解を向上させること。

提案手法

• √s = 2.76、7、8、13 TeVにおけるCMSの二重微分的包含ジェット断面積を用いて、次々に精度の高い（NNLO）量子色力学（QCD）グローバルフィットを実施する。
• CMSのジェットデータとHERAの包含的非弾性散乱（DIS）断面積データを組み合わせることで、αSおよびPDFsの制約を強化する。
• ジェットの再構築にanti-kTアルゴリズム（R = 0.7）を用い、エネルギーおよび運動量分解能を向上させるためにパーティクル・フロー再構築を適用する。
• ジェットエネルギースケール（JES）およびジェットエネルギー分解能（JER）の不確かさを含め、pT、|y|、および中心系エネルギーにわたる相関を組み込む。
• αS(mZ)とPDFsを同時にフィットすることで、それらの相関に起因するバイアスを最小限に抑える。
• QCD解析を実装し、不確実性を一貫して伝搬させるためにXFITTERフレームワークを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 次々に精度の高い（NNLO）で、Zボソン質量スケールにおける強い結合定数αSの正確な値は何か？
• RQ2 QCDが予測するαSのランニングは、100 GeVから1.6 TeVのエネルギー範囲で、データとどの程度一致するか？
• RQ3 αSとPDFsを同時に抽出することで、逐次的フィットと比較して、系統的バイアスはどの程度低減されるか？
• RQ4 ジェットエネルギースケールおよび分解能の不確かさ、特にpTおよび|y|の区間における相関を含めた場合、最終的なαSの決定にどのような影響を与えるか？
• RQ5 LHCのジェットデータとHERAのDISデータを組み合わせることで、αSおよびPDFsの精度はどの程度向上するか？

主な発見

• 次々に精度の高い（NNLO）で、Zボソン質量スケールにおける強い結合定数はαS(mZ) = 0.1176+0.0014−0.0016として決定された。
• 100 GeVから1.6 TeVのエネルギー範囲にわたって、αSのランニングが観測され、QCDの予測と整合的であることが確認された。
• αSとPDFsを同時に抽出することで、それらの相関に起因する潜在的なバイアスが低減され、αSの決定の信頼性が向上した。
• pTおよび|y|の区間における相関を明示的に考慮した、ジェットエネルギースケールおよびエネルギー分解能の不確かさの詳細なモデル化が分析に組み込まれた。
• HERAのDISデータの組み込みにより、PDFsの制約が強化され、αSの決定精度が向上した。
• 結果は、CC-BY-4.0ライセンスのもと、Physics Letters Bに発表され、DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139651 を有する。