[論文レビュー] Measurement of the Lund jet plane in hadronic decays of top quarks and W bosons with the ATLAS detector

G. Aad, Erlend Aakvaag+2888 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2024

Particle physics theoretical and experimental studies被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、ATLAS検出器を用いた13 TeVの陽子-陽子衝突データ140 fb⁻¹を用いて、トップクォークおよびWボソンのハドロン崩壊におけるLundジェット平面（LJP）の初回測定を報告する。LJPは、一部粒子のシャワーおよびハドロン化ダイナミクスに敏感な二次元のジェット内部構造観測量であり、データとすべてのモンテカルロ予測との間で顕著な不一致を示しており、特にWボソンによって生成されたジェットにおいて顕著である。これは、重い粒子の崩壊をより良くモデル化する必要があることを示唆している。

ABSTRACT

The Lund jet plane (LJP) is measured for the first time in $t\bar{t}$ events, using 140 $ extrm{fb}^{-1}$ of $\sqrt{s} = 13$ TeV pp collision data collected with the ATLAS detector at the LHC. The LJP is a two-dimensional observable of the sub-structure of hadronic jets that acts as a proxy for the kinematics of parton showers and hadron formation. The observable is constructed from charged particles and is measured for $R=1.0$ anti-$k_t$ jets with transverse momentum above 350 GeV containing the full decay products of either a top quark or a daughter W boson. The other top quark in the event is identified from its decay into a b-quark, an electron or a muon and a neutrino. The measurement is corrected for detector effects and compared with a range of Monte Carlo predictions sensitive to different aspects of the hadronic decays of the heavy particles. In the W-boson-initiated jets, all the predictions are incompatible with the measurement. In the top quark initiated jets, disagreement with all predictions is observed in smaller subregions of the plane, and with a subset of the predictions across the fiducial plane. The measurement could be used to improve the tuning of Monte Carlo generators, for better modelling of hadronic decays of heavy quarks and bosons, or to improve the performance of jet taggers.

研究の動機と目的

• ATLAS検出器を用いて、トップクォークおよびWボソンのハドロン崩壊におけるLundジェット平面（LJP）を初回測定すること。
• 高質量でブーストされたジェット系における一部粒子シャワーおよびハドロン化の運動学的性質を調査すること。
• モンテカルロイベントジェネレータのトップおよびWボソンジェットの内部構造モデル化の性能をテストすること。
• データとシミュレーションとの間のシステムティックな不一致を特定し、ジェット内部構造モデルの改善を図ること。
• イベントジェネレータのチューニングおよびジェットタギングアルゴリズムの向上のためのベンチマークを提供すること。

提案手法

• LJPは、横運動量350 GeV以上のR = 1.0のアンチ-kₜジェット内の荷電粒子から再構築される。
• 他のトップクォークの崩壊生成物（bクォーク、レプトン、ニュートリノ）に基づいて、ジェットがトップクォークまたはWボソンによって生成されたものと分類される。
• 検出器効果はアンフォールディング技術を用いて補正され、データとモンテカルロ予測の比較がなされる。
• 測定は、ジェット識別を明確にするために運動学的およびトポロジカル基準で定義されたフィducial領域で実施される。
• さまざまなモンテカルロジェネレータ（例：Powheg-Box、Herwig++など）を用いてデータと比較され、それぞれが一部粒子シャワーおよびハドロン化の異なる側面に敏感である。
• LJPは、アンチ-kₜアルゴリズムのクラスタリング履歴におけるプロトジェットの横運動量および角度から構築される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 トップクォークおよびWボソンのハドロン崩壊におけるLundジェット平面分布は、モンテカルロ予測とどのように異なるか？
• RQ2 LJP平面の異なる領域において、データとシミュレーションとの間にどのような不一致が存在するか？
• RQ3 現在の一部粒子シャワーおよびハドロン化モデルは、高質量でブーストされたジェットの運動学的性質をどの程度正しく記述できていないか？
• RQ4 LJP測定は、モンテカルロジェネレータのチューニングに感受性の高い観測量として機能できるか？
• RQ5 LJPは、トップおよびWボソンジェットのジェットタギングアルゴリズムの性能をどのように向上させるか？

主な発見

• Wボソンによって生成されたジェットにおいて、すべてのモンテカルロ予測がフィducial平面全体で測定されたLJP分布と不一致である。
• トップクォークによって生成されたジェットでは、LJP平面の小さな部分領域において顕著な予測との不一致が観測され、モデルの局所的欠陥を示している。
• 一部のモンテカルロジェネレータは、LJPの複数の領域で一貫したずれを示しており、一部粒子シャワーの進化またはハドロン化のモデル化におけるシステムティックな欠陥を示唆している。
• 測定されたLJPは、重いクォークおよびボソンの崩壊の文脈において、イベントジェネレータのチューニングをテスト・改善するための新しい高分解能ベンチマークを提供する。
• 結果は、LJPがQCDダイナミクスの微細な差異に感受性を示すことを示しており、ジェット内部構造およびジェネレータ検証のための価値あるツールであることを示している。
• データは、ブーストされたトップおよびWボソン崩壊における一部粒子シャワー放射およびハドロン化のモデル化を強化する明確な必要性を示している。