[論文レビュー] J_{E_T}: A Global Jet Finding Algorithm

Y. Bai, Zhenyu Han+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2014

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

この論文は、ハドロン衝突機向けのグローバルなジェット発見アルゴリズム $J_{E_T}$ を導入し、ジェットの横方向エネルギーと質量のバランスを最適化することで、幾何学的中心が中央領域にずれた円形コーン型ジェットを生成する。アルゴリズムは赤外・衝突安全性を満たし、前方領域ではコーンサイズが小さくなる。また、QCDジェットを用いたマッチングにおいて、硬い分岐を示す $W$-ジェットを同定する際、anti-$k_t$ よりも高い効率を示す。

ABSTRACT

We introduce a new jet-finding algorithm for a hadron collider based on maximizing a J_{E_T} function for all possible combinations of particles in an event. This function prefers a larger value of the jet transverse energy and a smaller value of the jet mass. The jet shape is proved to be a circular cone in Cartesian coordinates with the geometric center shifted from the jet momentum toward the central region. The jet cone size shrinks for a more forward jet. We have implemented our J_{E_T} algorithm with a reasonable running time scaling as N n^3, where "N" is the total number of particles and "n" (much less than N) is the number of particles in a fiducial region. Many features of our J_{E_T} jets are similar to anti-k_t jets, including the reconstructed jet momentum and the "back-reaction" from soft contamination. Nevertheless, when the jet parameters in the two algorithms are matched using QCD jets, we find that the J_{E_T} algorithm has a larger efficiency than anti-k_t for identifying objects with hard splittings such as a W-jet.

研究の動機と目的

• ハドロン衝突機向けに、ブーストされたオブジェクト（例：$W$-ジェット）のジェット再構築を改善する新しいグローバルジェット発見アルゴリズムを開発すること。
• 従来のコーン型および再結合型アルゴリズムの限界を克服するため、赤外・衝突安全性を保証する関数に基づくアプローチを導入すること。
• 硬い分岐を高効率で保持しつつ、前方領域の汚染を自然に抑制するジェット形状を実現すること。
• 全部分集合探索に代わる計算的に実行可能な代替手段として、幾何的制約と球面上の円列挙を活用すること。

提案手法

• $J_{E_T} = E_T - \beta m_J^2 / E_T$ 関数をすべての粒子部分集合に対して最大化することで、最適なジェット構成を同定する。
• $J_{E_T}$ ジェットがデカルト座標系において円形コーンを形成することを証明し、コーンの軸がジェット運動量から横方向に向かってずれることを示す。
• 幾何的中心の $\beta$ に依存するずれにより、前方領域ではコーンサイズが小さくなり、効果的にビーム並行クラスタリングが抑制される。
• SISCone の手法に類似して、単位球面上の3粒子または2粒子で定義される円に限定して探索空間を削減する。
• アルゴリズムは $O(Nn^3)$ のスケーリングを示し、$N$ を全粒子数、$n \ll N$ をフィダシアル領域内の粒子数とする。
• 異なる質量重み付け行動を探索するための一般化された $J_{E_T^\alpha}$ 関数を導入し、$\alpha=1$ のとき $J_{E_T}$ を回復する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 横方向エネルギー対質量比を最大化する基づくグローバルジェット発見アルゴリズムは、物理的に妥当なジェット形状を安定して生成し、前方領域抑制を内蔵できるか？
• RQ2 $J_{E_T}$ アルゴリズムは、硬い分岐を示す $W$-ジェットを再構築する際、anti-$k_t$ や SISCone といった既存のアルゴリズムと比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ3 幾何的中心のずれとコーンサイズの変化が、ジェット形状およびパイルアップ耐性に与える影響は何か？
• RQ4 $J_{E_T}$ アルゴリズムは、赤外・衝突安全性を確保しつつ、$W$-ジェットタギングの高効率を維持できるか？
• RQ5 $\beta$ パrameter の調整とスプリット・マージ手順の拡張により、アルゴリズムの性能をどの程度チューニングできるか？

主な発見

• $J_{E_T}$ アルゴリズムは、幾何的中心が横方向の平面にずれた円形コーン型ジェットを生成し、前方ジェットではずれが大きくなる。
• 幾何的中心の $\beta$ に依存するずれにより、前方領域ではコーンサイズが小さくなり、効果的にビーム並行クラスタリングが抑制される。
• 赤外・衝突安全性を満たすのは、$J_{E_T}$ が個々の粒子運動量に依存せず、ジェットの4元運動量にのみ依存するためである。
• QCD二ジェットを用いたマッチングにおいて、$J_{E_T}$ は特に硬い分岐を示す $W$-ジェットの同定効率を、anti-$k_t$ よりも高い。
• $W$-ジェットタギングにおいて、$f=0.99$ の SISCone よりも $J_{E_T}$ が優れるが、$f=0.75$ の SISCone よりも劣るため、スプリット・マージ拡張による改善の余地がある。
• $J_{E_T^\alpha}$ の一般化により、質量抑制行動のチューニングが可能であり、$\alpha=2$ の場合、フィダシアル領域内の粒子を除外するには $\beta>2$ 必要である。