[論文レビュー] Double parton scattering in four-jet events in pp collisions at 7 TeV with the ATLAS experiment at the LHC

I. Sadeh|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2013

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 139被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、√s = 7 TeV の pp 衝突からの4ジェット事象における二重部分子散乱（DPS）の精度測定を報告する。ATLAS データを用い、新規の積層補正技術とニューラルネットワークベースのイベント選別手法を採用した。解析の結果、σeff = 16.0 +0.5−0.8 (統計) +1.9−3.5 (系誤差) mb が得られ、既存の測定値と整合的であり、高エネルギーにおける摂動的 QCD の厳密な検証を可能にする。

ABSTRACT

The dijet double-differential cross section is measured as a function of the dijet invariant mass, using data taken during 2010 and during 2011 with the ATLAS experiment at the LHC, with a center-of-mass energy of 7 TeV. The measurements are sensitive to invariant masses between 70 GeV and 4.27 TeV with center-of-mass jet rapidities up to 3.5. A novel technique to correct jets for pile-up (additional proton-proton collisions) in the 2011 data is developed and subsequently used in the measurement. The data are found to be consistent with fixed-order NLO pQCD predictions provided by NLOJET++. The results constitute a stringent test of pQCD, in an energy regime previously unexplored. The dijet analysis is a confidence building step for the extraction of the signal of hard double parton scattering (DPS) in four-jet events, and subsequent extraction of the effective overlap area between the interacting protons, expressed in terms of the variable, σ(eff). The measurement of DPS is performed using the 2010 ATLAS data. The rate of DPS events is estimated using a neural network. A clear signal is observed, under the assumption that the DPS signal can be represented by a random combination of exclusive dijet production. The fraction of DPS candidate events is determined to be f(DPS) = 0.081 +- 0.004 (stat.) +0.025-0.014 (syst.) in the analyzed phase-space of four-jet topologies. Combined with the measurement of the dijet and four-jet cross sections in the appropriate phase-space regions, the effective cross section is found to be σ(eff) = 16.0 +0.5-0.8 (stat.) +1.9-3.5 (syst.) mb. This result is consistent within the quoted uncertainties with previous measurements of σ(eff) at center-of-mass energies between 63 GeV and 7 TeV, using several final states.

研究の動機と目的

• 高エネルギー pp 衝突における二重部分子散乱の効果的断面積 σeff の測定を目的とする。
• 2011 年度 ATLAS データに向けた新規の積層補正技術の開発と適用を目的とする。
• ニューラルネットワークと二重ジェット質量の一貫性を用いて、4ジェット最終状態からの DPS シグナルの抽出を目的とする。
• これまで未踏であったエネルギー領域における固定順序 NLO pQCD 予測の妥当性の検証を目的とする。
• 将来の DPS および部分子重なり合いの研究に対する信頼性を高める測定を提供することを目的とする。

提案手法

• 2011 年度 ATLAS データに、新規のジェット面積／中央値積層補正法を適用し、追加のプロトン-プロトン衝突に起因するエネルギー汚染を低減した。
• ジェットの急速度が |η| = 3.5 まで及ぶ範囲で、70 GeV から 4.27 TeV の二重ジェットインバリアント質量分布を測定した。
• 二重ジェット系のランダムな組み合わせと整合するイベントを特定するために、ニューラルネットワークをトレーニングした。
• 4ジェットトポロジーから、DPS 分数 fDPS = 0.081 ± 0.004 (統計) +0.025−0.014 (系誤差) が抽出された。
• 同じ位相空間内での測定された二重ジェット断面積および4ジェット断面積を用いて、効果的断面積 σeff が抽出された。
• 一貫性チェックのベンチマークとして、NLOJET++ からの理論的予測が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 √s = 7 TeV における二重部分子散乱の効果的断面積 σeff は何か？
• RQ2 固定順序 NLO pQCD 予測は、このエネルギー領域における二重ジェットおよび4ジェット生成をどの程度よく記述するか？
• RQ3 ニューラルネットワークベースの手法は、4ジェット最終状態における DPS 捕捉を効果的に行えるか？
• RQ4 ランダムな二重ジェット組み合わせの仮定の下で、4ジェットトポロジーにおける DPS イベントの割合は何か？
• RQ5 新規の積層補正手法は、ジェットエネルギー分解能の維持とバイアスの低減においてどの程度効果的か？

主な発見

• 12桁のスケールにわたる二重ジェット断面積が高精度で測定され、NLOJET++ からの NLO pQCD 予測と優れた一致を示した。
• ランダムな二重ジェット組み合わせの仮定に基づき、明確な二重部分子散乱シグナルが観測され、解析位相空間内での fDPS = 0.081 ± 0.004 (統計) +0.025−0.014 (系誤差) が得られた。
• 効果的断面積は σeff = 16.0 +0.5−0.8 (統計) +1.9−3.5 (系誤差) mb と決定された。
• この結果は、63 GeV から 7 TeV の中心系エネルギーにおける複数の最終状態を含む、以前の σeff 測定値と整合的である。
• 新規の積層補正手法は、2011 年度データにおけるジェットエネルギー分解能の向上と系統的不確かさの低減に顕著な効果を示した。
• 本分析は、高エネルギーハドロン衝突における部分子密度重なり合いおよび DPS の将来的な研究のための堅固な基盤を提供する。