[論文レビュー] Forward jets physics in ATLAS, CMS and LHCb

D. d’Enterria|ArXiv.org|Nov 6, 2009

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 5被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、LHCにおけるATLAS、CMS、LHCbの前方ジェット再構築能力をレビューし、低xにおける一部子分布関数の探査および非DGLAP QCDダイナミクスの検証におけるその役割に焦点を当てる。シミュレーション研究により、特にミューラー＝ナヴェレット二ジェット相関を含む前方ジェット測定が、低xグルーオン密度を制約し、BFKLに類似した再結合効果を露わにできることを示している。1 pb⁻¹の積分 luminosity において、Δη > 6 の条件下で数千件のイベントが予想される。

ABSTRACT

The capabilities of the ATLAS, CMS and LHCb detectors to reconstruct jets at forward rapidities (|η|> 3) in p-p collisions at the CERN Large Hadron Collider are reviewed. The QCD and Higgs physics motivations for such measurements are summarised. Details are given on studies that provide information on the parton structure and evolution at small values of fractional momenta in the proton.

研究の動機と目的

• ATLAS、CMS、LHCbの前方領域（|η| > 3）におけるジェット再構築性能を評価すること。
• 前方ジェット測定が、小さな運動量分率（x < 10⁻²）における部分子分布関数（PDFs）をどの程度制約できるかを評価すること。
• 非DGLAP QCD進化（BFKL、CCFM、または飽和ダイナミクスなど）に対する前方二ジェットのアゼロスフィア的非相関の感受性を調査すること。
• 14 TeVでのCMSおよびATLASにおけるミューラー＝ナヴェレット二ジェットイベントの予想されるイベントyieldを、現実的な検出器およびトリガ条件のもとで定量化すること。
• 特にベクトルボソン融合およびH→b̄b崩壊チャンネルにおけるヒッグスボソンタグギングにおいて、前方ジェットの物理学的ポテンシャルを検討すること。

提案手法

• ATLAS（FCal）、CMS（HFおよびCASTOR）、LHCb（バーテックス強化型b-ジェット再構築）におけるコアライザー基盤のアルゴリズム（コーン法、逐次クラスタリング）を用いた前方領域（3 < |η| < 5）におけるジェット再構築。
• ミューラー＝ナヴェレットジェット選択基準の適用：pT > 35 GeV/c、|pT,1 - pT,2| < 5 GeV/c、|η| > 3、およびη1·η2 < 0 を満たすことで、大Δη二ジェットイベントを分離。
• fastNLOおよびモンテカルロジェネレータ（pythia、herwig）を用いて、ジェットスペクトルおよびΔη関数としてのアゼロスフィア的非相関（⟨cos(π−Δφ)⟩）をシミュレート。
• 1 pb⁻¹の積分 luminosity における二ジェット断面積を、d²σ/dη dQ = Njets / (Δη ΔQ ∫L dt) として計算。
• シミュレートされた⟨cos(π−Δφ)⟩を解析的BFKL予測と比較し、高Δη二ジェットにおける放射強化の兆候を同定。
• 検出器シミュレーションおよび再構築アルゴリズムを用いて、前方ジェットのエネルギー・運動量分解能、効率、純度を定量化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ATLAS、CMS、LHCbは、√s = 14 TeVのp-p衝突において、前方ラピディティ（|η| > 3）でのジェット再構築をどの程度正確に行えるか？
• RQ2 前方ジェット測定は、ディープインエラスティック散乱データが限られる低x（x < 10⁻²）におけるグルーオン密度xG(x,Q²)をどの程度制約できるか？
• RQ3 高Δηミューラー＝ナヴェレット二ジェットイベントにおけるアゼロスフィア的非相関は、DGLAP進化を超えたBFKLまたは飽和型QCDダイナミクスの兆候を明らかにできるか？
• RQ4 1 pb⁻¹の積分 luminosity において、Δη > 6およびpT > 35 GeV/cを満たす前方二ジェットイベントの予想されるyieldはどの程度か？
• RQ5 モンテカルロシミュレーションにおけるパートンシャワイングおよびハドロン化効果は、解析的BFKL予測と比較して、観測された⟨cos(π−Δφ)⟩にどのように影響を与えるか？

主な発見

• CMS HFコアライザーにおける前方ジェットエネルギー分解能は、20 GeV/cで約20%、100 GeV/cで約10%に改善され、良好な角度分解能（20 GeV/cにおけるση,ϕ ≈ 0.045）を示す。
• ATLAS FCalは、35 GeV/c以上の前方ジェットに対して約95%の効率と4%未満の偽陽性率を達成しており、pTおよび角度分解能も良好である。
• 1 pb⁻¹の luminosity において、CMSはΔη > 6のミューラー＝ナヴェレット二ジェットイベントを数単位千件、Δη > 9のイベントを数百件程度予想しており、詳細な角度解析に十分なデータ量が得られる。
• pythiaおよびherwigシミュレーションにおける平均⟨cos(π−Δφ)⟩は、高Δη領域でそれぞれ約0.85および約0.75に増加するが、BFKL予測（イエローバンド）の下回っている。
• CMSにおける二ジェット断面積スペクトルは、ジェットエネルギースケール（JES）による5–10%の不確実性を示しており、MRST03とCTEQ6.1MのPDF間の差が前方pTスペクトルに顕著に現れている。
• 本研究は、前方ジェット測定が低x PDFに直接的な制約を与え、特に高Δη二ジェットにおけるアゼロスフィア的非相関を通じて非DGLAPダイナミクスを探査可能であることを示している。